基于石墨烯的可饱和吸收体器件和方法技术

本发明专利技术公开了一种适用于环形腔光纤激光器(200)或线形腔光纤激光器(300)中的基于石墨烯的可饱和吸收体器件(22)。所述可饱和吸收体器件包括光学元件(10)和由所述光学元件所承载并包括石墨烯、石墨烯衍生物和官能化石墨烯中的至少之一的基于石墨烯的可饱和吸收体材料(18)。一种示例性的光学元件为具有末端小面(14)的光纤，所述末端小面(14)承载所述可饱和吸收体材料。本发明专利技术还公开了各种形式的基于石墨烯的可饱和吸收体材料及其形成方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于光纤激光器的可饱和吸收体，具体而言，涉及基于石墨烯的可饱和吸收体器件和用于光纤激光器中用于锁模、Q-开关、光学信号处理等的方法。
技术介绍
在许多需要高质量光脉冲的研究/工业领域中，锁模光纤激光器已取代块状固态激光器。优势包括结构简单、脉冲质量突出和运行高效。近来，紧凑的二极管泵浦超快光纤激光器作为块状固态激光器的替代的开发进展快速。目前，使用被动锁模技术，短脉冲发生已特别有效。被动锁模光纤激光器中的主要技术基于半导体可饱和吸收体镜(SESAM)，其利用在分布的布拉格反射器(DBR)上生长的 III-V半导体多量子阱。但SESAM有许多缺点。SESAM需要复杂且昂贵的基于洁净室的制造系统，例如金属有机化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)。此外，在一些情况下需要额外的衬底移除过程。需要高能重离子注入来引入缺陷位以缩短器件恢复时间(通常数纳秒)至短脉冲激光器锁模应用所需的皮秒范围。由于SESAM为反射装置，故其用途仅局限于特定类型的线形腔拓扑。其他激光腔拓扑，例如环形腔设计，其需要透射模式装置、具有优势如对于给定腔长重复率加倍和通过使用光隔离器而对反射引起的不稳定性较不敏感，是不可能的，除非采用光环行器，而这将增加腔损耗和激光器复杂性。SESAM的光损伤阈值还低。直到最近，对于光纤激光器的被动锁模来说，尚无替代的可饱和吸收材料与SESAM 相竞争。近来，单壁碳纳米管(SWCNT)在近红外区中的可饱和吸收性质及 1皮秒的超快饱和恢复时间的发现产生了在结构和制造上显著不同于SESAM的一种新型固体可饱和吸收体，并事实上带来了皮秒或亚皮秒掺铒光纤(EDF)激光器的出现。在这些激光器中，固体SWCNT可饱和吸收体已通过在平板玻璃衬底、镜面衬底、或光纤的末端小面上直接沉积 SWCNT膜形成。但SWCNT的不均勻手性性质对于可饱和吸收体的性质的精确控制存在固有问题。 当在特定波长下运行时，不处于谐振的SWCNT导致插入损耗。因此，SWCNT的宽带可调谐性差。此外，尽管聚合物主体可能在一定程度上防止这些问题中的一些的发生并使器件集成容易，但是成束和缠结的SWCNT、催化剂颗粒的存在及气泡的形成导致腔中高的不饱和损^^ ο
技术实现思路
本专利技术的一个方面涉及一种由石墨烯或其衍生物组成的新型可饱和吸收体材料、 以及其在光学元件如光纤上的组装体以取代SESAM和SWCNT作为用于短脉冲发生的可饱和吸收体。本专利技术克服了上述问题，即与涉及SESAM或SWCNT的常规方法相比，具有更好的性能、制造成本更低廉且更易于与制造过程相整合。石墨烯是一种机械和化学上稳健的材料，具有高传导率和有利的光学性质，例如带间光跃迁和通用光传导率。就其用作可饱和吸收体的用途而论，石墨烯材料还具有较低的不饱和损耗、较高的转换效率和宽带可调谐性。石墨烯的超快恢复时间也促进超短脉冲发生(皮秒到飞秒脉冲)。通过使用单到多层石墨烯或与其他材料掺杂/插层，光调制深度可在宽范围内调节。本专利技术使用石墨烯、 石墨烯衍生物和石墨复合材料(例如聚合物-石墨烯、石墨烯凝胶)作为可饱和吸收体材料用于光纤激光器中用于锁模、Q-开关、光脉冲整形、光开关、光学信号处理等。附图说明图1为夹持在套圈内的光纤形式的可饱和吸收体器件的透视近末端视图，所述光纤具有末端小面，其上组装有包括一原子层石墨烯的可饱和吸收体材料；图2为夹持在套圈内的光纤形式的可饱和吸收体器件的透视近末端视图，所述光纤具有末端小面，其上组装有包括若干原子层石墨烯以形成多层石墨烯膜的可饱和吸收体材料；图3为光纤尾纤形式的可饱和吸收体器件的透视图，所述光纤尾纤末端上布置有多层石墨烯膜；图4为光纤尾纤末端的光学图像，所述光纤尾纤端上布置有多层石墨烯膜且覆盖套圈针孔；图5为光纤形式的可饱和吸收体器件的透视近末端视图，所述光纤具有末端小面，其上组装有包括石墨烯小片一个单层的可饱和吸收体材料；图6为夹持在套圈内的光纤形式的可饱和吸收体器件的透视近末端视图，所述光纤具有末端小面，其上组装有包括石墨烯和聚合物复合材料的可饱和吸收体材料；图7为夹持在套圈内的光纤形式的可饱和吸收体器件的透视近末端视图，所述光纤具有末端小面，其上组装有包括石墨烯与其他薄膜材料相组合的杂化膜的可饱和吸收体材料；图8为具有环形腔、使用基于石墨烯的可饱和吸收体器件的示例性光纤激光器的示意图；和图9为具有线形腔、使用基于石墨烯的可饱和吸收体器件的光纤激光器的示意图。具体实施例方式本专利技术的方面涉及石墨烯以及其衍生物例如氧化石墨烯或官能化石墨烯用作光学元件(例如光纤、玻璃衬底、镜等)所承载的可饱和吸收材料以形成基于石墨烯的可饱和吸收体器件的用途。所述器件用于例如光纤激光器中。通过伴随有通过基于石墨烯的可饱和吸收体材料的饱和吸收的透光率变化，所述基于石墨烯的可饱和吸收体器件可显示出光学开关操作。所述基于石墨烯的可饱和吸收体器件还可用于脉冲整形。石墨烯可以作为一层或更多层石墨烯膜、或作为石墨烯与聚合物的复合材料、或作为石墨烯与有机或无机材料的复合材料引入。所述基于石墨烯的可饱和吸收体器件可用于光纤激光器中用于光学信号处理、锁模、Q-开关、脉冲整形等。一般而言，可饱和吸收体为具有一定光损耗的光学部件，所述光损耗在高光强度下降低。可饱和吸收体的主要应用是在激光器的锁模和Q-开关中，即短脉冲的发生。但可饱和吸收体通常还可用在光学信号的处理中。本专利技术的一个方面在于石墨烯以及其衍生物用作基于石墨烯的可饱和吸收体器件的可饱和吸收体材料用在光纤激光器中用于光学信号处理、锁模、Q-开关、脉冲整形等的用途。石墨烯是形成蜂窝状晶格的SP2-杂化碳的单原子层，在能带结构中电子和空穴圆锥交叉(狄拉克点)处具有线性能谱。由于2+1维狄拉克方程控制着石墨烯中准粒子的动力学，故其许多性质与其他材料显著不同。单层石墨烯的光传导完全由精细结构常数α = e2/hc限定。预期吸收率已经计算和测得与频率无关，吸收显著部分(πα = 2. 293% )的红外到可见入射光。比较起来，IOnm厚的GaAs层吸收约的带隙附近的光。原则上，在强激发下，由于泡利阻塞即光生载流子在亚皮秒内冷却形成新的费米-狄拉克分布而新产生的电子-空穴对阻塞一些原先可能的光跃迁，故零带隙石墨烯中的光子带间吸收可易于饱和。随着激发增至足够高的强度，光生载流子具有高浓度(远高于室温下石墨烯中约 SXlOicicnT2的本征电子和空穴载流子密度)并可能导致靠近导带和价带边缘的态的填充而进一步阻断吸收，因此其对光子能量略高于带边缘的光透明。带填充因没有两个电子可填充相同的态而发生。因此，由于该泡利阻塞过程而获得可饱和吸收或吸收漂白。原则上，石墨烯可以是完美的可饱和吸收体。与强度有关的衰减允许光脉冲的高强度组分通过石墨烯薄膜，而脉冲的较低强度组分如脉冲尾部、脉冲基底电平或背景连续波(cw)辐射不能通过。当石墨烯膜形式的可饱和吸收体被置于激光腔中时，其将促进短脉冲发生并抑制连续波(cw)辐射，这可用于锁模。对于超短脉冲发生应用，石墨烯具有约200fs尺度或更短的快速恢复时间，这是稳定激光器锁模所需要的，而若干ps尺度的较慢恢复时间可便于激光器自启动。本专利技术不限于光学元件(例如光纤的末端小面上)所承载的组装的原子尺度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗健平，鲍桥梁，唐定远，张晗，
申请(专利权)人：新加坡国立大学，南洋理工大学，
类型：发明
国别省市：