本發(fā)明屬于超快激光技術(shù)及半導(dǎo)體器件，尤其涉及一種基于電調(diào)控的2μm波段ghz固體鎖模器件。

背景技術(shù)：

1、2?μm波段吉赫茲（ghz）高重復(fù)頻率超快激光在大容量自由空間光通信、光頻率梳、超高精度分子光譜學(xué)和精密聚合物加工等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。例如，作為重要的大氣傳輸窗口之一，該波段對(duì)霧、煙塵等具有較強(qiáng)的穿透力，且ghz高重頻超快激光能夠顯著提升光信號(hào)處理系統(tǒng)的傳輸容量，對(duì)發(fā)展寬帶網(wǎng)絡(luò)“最后一公里”的大容量自由空間光通信技術(shù)具有極大的推動(dòng)作用。

2、產(chǎn)生2?μm波段ghz超短脈沖的途徑主要包括以下三種：

3、第一種是通過(guò)光參量振蕩（opo）等非線性頻率變換技術(shù)將成熟的1?μm波段ghz超短脈沖變頻至2?μm波段。但超快激光發(fā)射光譜寬、脈沖持續(xù)時(shí)間短、峰值功率高的特點(diǎn)，給超快激光泵浦opo過(guò)程中嚴(yán)格的相位匹配以及泵浦光與信號(hào)光、閑頻光的時(shí)域精確同步帶來(lái)了極高的挑戰(zhàn)，且極易造成非線性晶體材料的光損傷，導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性和壽命低。

4、第二種是基于tm3+、ho3+摻雜的光纖鎖模技術(shù)。相比于opo技術(shù)，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)由振蕩器直接輸出2?μm波段ghz超短脈沖，具有簡(jiǎn)單的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和高的轉(zhuǎn)換效率。但稀土離子摻雜的2?μm波段ghz超快光纖激光器仍面臨以下挑戰(zhàn)：（1）npr鎖模高度依賴光纖的非線性效應(yīng)以及光的偏振態(tài)，外界環(huán)境溫度變化等都會(huì)造成鎖模激光器的失鎖；（2）諧波鎖模的高階諧波容易引起脈沖的時(shí)序抖動(dòng)和幅度波動(dòng)，影響激光的穩(wěn)定性以及光束質(zhì)量；（3）難以直接獲得高輸出功率的基頻光飛秒脈沖。ghz重頻所需的短增益光纖依賴于較高的摻雜濃度，可是當(dāng)前高摻雜光纖技術(shù)的工藝并不成熟，容易導(dǎo)致光纖均勻性不足，加之光纖本身的強(qiáng)非線性效應(yīng)、有限的能量存儲(chǔ)以及低損傷閾值等特性，使得直接從光纖振蕩器獲得高功率2?μm波段ghz鎖模飛秒脈沖變得尤為困難。

5、第三種是基于tm3+、ho3+摻雜晶體的高功率固體鎖模激光技術(shù)。相比于2?μm波段光纖材料，國(guó)內(nèi)該波段激光晶體的生長(zhǎng)與制備技術(shù)已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，這些激光晶體具有高損傷閾值、低非線性效應(yīng)、低成本和可高摻雜的特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)2?μm波段ghz高功率鎖模飛秒激光提供了有力保障。目前，tm3+、ho3+摻雜晶體的固體鎖模激光器已取得重要研究進(jìn)展。但是，迄今為止，尚未有可飽和吸收體鎖模的2?μm波段ghz固體飛秒激光的報(bào)道。分析原因，除2?μm波段短腔鎖模技術(shù)尚不成熟之外，主要是缺乏具備低飽和通量、快飽和恢復(fù)時(shí)間、適中調(diào)制深度的2?μm波段ghz固體鎖模元件。

6、總結(jié)當(dāng)前研究現(xiàn)狀，仍存在許多亟待解決的問(wèn)題。低飽和通量、快飽和恢復(fù)時(shí)間、適中調(diào)制深度的2?μm波段ghz固體鎖模元件的匱乏是目前難以實(shí)現(xiàn)2?μm波段固體ghz飛秒激光的主要原因。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述技術(shù)壁壘，本發(fā)明提出了一種基于電調(diào)控的2?μm波段ghz固體鎖模器件，以解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于電調(diào)控的2?μm波段ghz固體鎖模器件，包括以下構(gòu)造：

3、光纖激光器泵浦源，用于發(fā)射激光光束；

4、鎖模諧振腔，包括輸入鏡組和二維電光調(diào)制器件，所述鎖模諧振腔用于對(duì)所述激光光束進(jìn)行反射和調(diào)制；

5、輸出鏡，用于把激光反射回諧振腔內(nèi)進(jìn)行增益放大和輸出經(jīng)過(guò)調(diào)制后的激光光束；

6、其中，所述二維電光調(diào)制器件由二維bi2o2se、石墨烯電極、氮化硼絕緣層和金電極構(gòu)成；

7、所述二維電光調(diào)制器件用于通過(guò)外加電場(chǎng)調(diào)控二維bi2o2se費(fèi)米能級(jí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)二維bi2o2se飽和吸收特性的調(diào)控。

8、可選的，所述輸入鏡組包括第一輸入鏡、第二輸入鏡和第三輸入鏡；

9、其中，所述激光光束能夠依次沿所述第一輸入鏡、所述第二輸入鏡和所述第三輸入鏡輸入至所述二維電光調(diào)制器件，且經(jīng)過(guò)所述二維電光調(diào)制器件反射的所述激光光束能依次沿所述第三輸入鏡、所述第二輸入鏡以及所述第一輸入鏡輸入至所述輸出鏡，輸出激光光束。

10、可選的，所述的第一輸入鏡和所述第二輸入鏡均為曲率半徑50?mm的凹面鏡并且為負(fù)色散鏡，所述第三輸入鏡為曲率半徑100?mm的凹面鏡。

11、可選的，還包括平面鏡，所述平面鏡用于使所述光纖激光器泵浦源發(fā)射的激光光束垂直偏轉(zhuǎn)，所述平面鏡相對(duì)于所述激光光束方向的45度角度擺放。

12、可選的，還包括光聚焦耦合系統(tǒng)，所述光聚焦耦合系統(tǒng)用于對(duì)所述光纖激光器泵浦源發(fā)射的激光光束進(jìn)行聚焦和準(zhǔn)直，所述光聚焦耦合系統(tǒng)的聚焦比為5：1。

13、可選的，所述光纖激光器泵浦源采用波長(zhǎng)1700?nm的光纖激光器。

14、可選的，還包括激光增益介質(zhì)，所述激光增益介質(zhì)用于產(chǎn)生和放大激光。

15、可選的，所述激光增益介質(zhì)為tm,ho:calylo或tm,ho:calgo晶體；其中tm3+離子摻雜濃度均為5at.%，ho3+離子摻雜濃度均為0.5at.%。

16、可選的，通過(guò)所述第一輸入鏡后聚集至所述激光增益介質(zhì)中心，然后經(jīng)過(guò)所述第二輸入鏡依次反射至所述第三輸入鏡以及所述二維電光調(diào)制器件，然后經(jīng)過(guò)所述二維電光調(diào)制器件依次反射至所述第三輸入鏡、所述第二輸入鏡和所述第一輸入鏡，最后通過(guò)所述輸出鏡輸出激光光束。

17、本發(fā)明還提供了一種二維bi2o2se電光調(diào)制器件的制備方法，用于制備基于電調(diào)控的2?μm波段ghz固體鎖模器件中的二維電光調(diào)制器件，過(guò)程包括：

18、將制備好的二維bi2o2se轉(zhuǎn)移至高反射端鏡表面；

19、設(shè)計(jì)電極結(jié)構(gòu)、確定溝道長(zhǎng)度，并基于電子束曝光技術(shù)對(duì)源極、漏極和柵極進(jìn)行刻蝕；

20、刻蝕后，在真空環(huán)境下蒸鍍5?nm厚的鉻和50?nm厚的金以形成高導(dǎo)電性電極；

21、通過(guò)機(jī)械剝離法制備氮化硼薄膜并將其轉(zhuǎn)移至電極層表面，作為絕緣層；

22、使用冰輔助轉(zhuǎn)移技術(shù)將石墨烯轉(zhuǎn)移至頂柵位置，作為頂柵電極。

23、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果：

24、本發(fā)明提供了一種基于電場(chǎng)調(diào)控二維bi2o2se飽和吸收的2?μm波段ghz固體鎖模器件，二維bi2o2se是一種優(yōu)異的寬帶可飽和吸收材料，具備大的非線性吸收系數(shù)、優(yōu)異的空氣穩(wěn)定性、超快的飽和恢復(fù)時(shí)間及良好的費(fèi)米能級(jí)可調(diào)諧性。采用外電場(chǎng)的方式可精準(zhǔn)調(diào)控二維bi2o2se的飽和吸收參數(shù)，實(shí)現(xiàn)高性能的2?μm波段ghz固體鎖模激光輸出。

25、本發(fā)明選用tm,ho:calylo或tm,ho:calgo晶體作為激光增益介質(zhì)，其具有較大發(fā)射截面、較寬發(fā)射光譜同時(shí)采用波長(zhǎng)1700?nm的高亮度光纖激光器作為泵浦源，能夠提高量子效率并壓縮鎖模腔內(nèi)模式面積。

26、本發(fā)明通過(guò)abcd矩陣，優(yōu)化激光增益介質(zhì)及可飽和吸收體的模式半徑，選用經(jīng)典的x型腔型作為鎖模諧振腔，第一輸入鏡和第二輸入鏡選用小曲率凹面鏡并且作為負(fù)色散鏡使用，能夠減小增益介質(zhì)內(nèi)振蕩激光模式并縮短腔長(zhǎng)。

27、本發(fā)明制備出的器件具備低飽和通量、快飽和恢復(fù)時(shí)間和適中調(diào)制深度等優(yōu)點(diǎn)，有效突破了現(xiàn)有技術(shù)壁壘。