基于二維層狀材料的實用化可飽和吸收器件的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種基于二維層狀材料的實用化可飽和吸收器件及其制備方法，屬于激光器的可飽和吸收體領域。
【背景技術】
[0002]采用鎖?；蛘{(diào)Q技術的脈沖激光器，具有峰值功率高，脈沖寬度窄的特點，在工業(yè)微加工、醫(yī)療、超快過程科學研宄和光通訊等領域都有及其重要的應用。實現(xiàn)鎖模和調(diào)Q的技術，可分為主動和被動兩類，其中，在激光腔內(nèi)插入可飽和吸收器件，實現(xiàn)被動鎖模和調(diào)Q的方法，由于不需要外加電場或光場調(diào)制，更加方便高效，且價格低廉，是廣泛使用的一種方法。目前市場上主要使用的光纖激光器鎖模器件基于半導體可飽和吸收鏡(SESAM)。但是，半導體可飽和吸收鏡存在很多很難克服的缺點。首先，SESAM需要復雜且昂貴的基于潔凈室的制造系統(tǒng)，制造工藝復雜，成本高；其次，由于II1-1V族半導體的固有帶隙，飽和吸收光譜范圍狹窄；第三，SESAM的光損傷閾值也很低，很難應用在高功率激光領域中。近年來，單壁碳納米管(SWCNT)和以石墨烯為代表的二維層狀材料是受到該領域關注較多的兩類替代SESAM的新型可飽和吸收體材料。SffCNT具有電子弛豫時間快、易于制作，成本低，光損傷閾值高的優(yōu)點，但是其不均勻的手型性質(zhì)對于可飽和吸收體的性質(zhì)的精確控制存在固有問題，且限制了飽和吸收的帶寬。
[0003]石墨烯可飽和吸收體自2009年被發(fā)現(xiàn)以來，以其特有的超寬波段工作波長(可見波段到微波波段可工作)、超快的電子弛豫時間、可觀的光調(diào)制深度、低飽和閾值等優(yōu)點，受到廣泛的研宄和關注。目前，石墨烯可飽和吸收體的制作方法主要是:在光纖激光器中，采用化學轉移或者光學沉積的方法，將石墨烯直接和FC/PC光纖頭結合，形成光纖頭/石墨烯/光纖頭三明治結構；在固體激光器中，采用化學轉移，或者旋涂的方法，將石墨烯轉移在石英片一類的透明基底上，形成透射式可飽和吸收器件；或?qū)⑹┲糜诮疸y銅鋁一類金屬反射層上，形成反射式可飽和吸收器件。這幾種方法都有一定局限性:
[0004]I)反射層反射率不夠高，吸收損耗大。高性能激光器需要極高反射率和極低損耗，因而對材料和結構要求更高。單一金屬作為反射層，雖然金屬反射膜具有較高的反射率，但具有一定的吸收能力，影響光的質(zhì)量。所以金屬反射膜不適用于要求膜層的吸收損耗小的高性能激光領域；經(jīng)研宄發(fā)現(xiàn)，單一金屬反射膜的反射率往往難以達到多層全介質(zhì)高反膜和金屬/介質(zhì)反射膜的反射率，對于高反膜而言，即使反射率提高0.01%，對輸出功率也有很大貢獻，比如多層全介質(zhì)高反膜反射率可以達到99%以上，而一般的金屬膜難以達到如此高的反射率；從紫外到中紅外等波長，不同波長往往需要針對性制備高性能高反膜，單一金屬膜難以滿足這樣的要求；而且大部分單一金屬膜在空氣中容易起化學反應而變質(zhì)，導致反射膜不穩(wěn)定。
[0005]2)大部分制造方法都需要在水溶液中人工轉移。由于水的表面張力較大以及人工操作的不確定性，轉移過程會不可避免地破壞石墨烯或其他二維層狀材料的的完整性的連續(xù)性，導致器件成品率不高
[0006]3)單一金屬反射層與基底層、飽和吸收層與反射層之間附著性差和機械強度低，而且容易吸水，因而穩(wěn)定性和壽命收到影響。
[0007]4)在一些特定場合，飽和吸收層單純用石墨烯材料無法獲得特定需求的光學性能參數(shù)，對飽和吸收材料的調(diào)制深度和光激發(fā)弛豫時間難以實現(xiàn)調(diào)控。
[0008]5)飽和吸收層和整個器件的抗機械損傷和光熱損傷閾值有待提高。
[0009]6)部分采用透射方式，直接插在腔中，增加了腔內(nèi)的損耗，不適用于低增益的激光器。
【實用新型內(nèi)容】
[0010]本實用新型針對上述不足提供了一種基于二維層狀材料的實用化可飽和吸收器件及其制備方法。
[0011]本實用新型采用如下技術方案:
[0012]本實用新型所述的基于二維層狀材料的實用化可飽和吸收器件，包括基底，高反層，可飽和吸收層，功能層；所述的功能層的一端面與可飽和吸收層相連，可飽和吸收層的一端面與高反層相連，高反層的一端面與基底相連。
[0013]本實用新型所述的基于二維層狀材料的實用化可飽和吸收器件，所述的高反層與可飽和吸收層之間設有功能層二。
[0014]本實用新型所述的基于二維層狀材料的實用化可飽和吸收器件，所述的高反層與基底之間設有功能層三。
[0015]本實用新型所述的基于二維層狀材料的實用化可飽和吸收器件，所述的高反層與可飽和吸收層之間設有功能層二；高反層另一端面與與基底之間設有功能層三。
[0016]本實用新型所述的基于二維層狀材料的實用化可飽和吸收器件，基底的另一端面設有減反層。
[0017]本實用新型所述的基于二維層狀材料的實用化可飽和吸收器件，所述的基底的一端面布置高反層，高反層相對于基底的另一端面設置可飽和吸收層，可飽和吸收層相對于高反層的另一端面設置功能層，功能層相對于可飽和吸收層的另一端面設置高反層二，高反層二相對于功能層的另一端面設有摻釹釩酸釔層，摻釹釩酸釔層相對于高反層二的另一端面設有減反層二。
[0018]本實用新型所述的基于二維層狀材料的實用化可飽和吸收器件，所述的高反層由金屬材料或半導體材料或介質(zhì)材料中的兩種或兩種以上材料組合而制成；
[0019]所述的金屬材料采用:金或銀或銅或鋁或鎳或鍺或鉻；
[0020]所述的半導體材料采用AlGaAs或InGaAs或砷化鎵或砷化鋁等砷化物或硅；
[0021]所述的介質(zhì)材料采用氧化物或氟化物或硫化物或氮化物或砸化物。
[0022]所述的飽和吸收層由石墨烯、石墨烯衍生物、BN，MoS2、WS2、WSe2，Bi2Se3, Bi2Te3或Sb2Te3的單層、雙層或多層薄膜構成，又或者由石墨烯、石墨烯衍生物、BN, MoS2, WS2、WSe2,Bi2Se3,13;[2163或Sb 2Te3中兩種或兩種以上疊層異質(zhì)結構薄膜。
[0023]本實用新型所述的基于二維層狀材料的實用化可飽和吸收器件，功能層由一種或二種或者多種材料組合構成。
[0024]本實用新型所述的基于二維層狀材料的實用化可飽和吸收器件，所述的飽和吸收器件的基底或減反層放置在銅基或者中心開孔的銅基上；
[0025]所述的飽和吸收器件的功能層或減反層與光纖尾纖端面相連；所述的基底由玻璃或硅或二氧化硅或碳化硅或石英或藍寶石或砷化鎵、砷化鋁或氟化物或砸化物或氧化物介質(zhì)材料制成。
[0026]本實用新型所述的基于二維層狀材料的實用化可飽和吸收器件的制備方法，其特征在于，制備步驟如下:
[0027]步驟I)將基底層上鍍數(shù)層或者多層兩種或者多種不同折射率材料的周期性結構薄膜形成高反層，再對高反層進行氮等離子體處理；
[0028]步驟2)在所述經(jīng)過等離子體處理的高反層上鍍一層銅或者鎳作為金屬催化劑層，采用化學氣相沉積或者等離子體化學氣相沉積或者低氣壓化學氣相沉積或者感應耦合等離子體氣相沉積的方法，在金屬催化層上生長或蒸鍍一種或者不同種飽和吸收材料形成飽和吸收層，隨后采用旋涂的方法在石墨烯薄膜上旋涂一層聚甲基丙烯酸甲酯保護層；
[0029]步驟3)使用刻蝕液對金屬催化劑層進行化學刻蝕，金屬催化劑層被化學刻蝕完畢，經(jīng)高溫處理，高反層和可飽和吸收層粘附在一起實現(xiàn)緊貼；
[0030]步驟4)再采用丙酮等化學試劑浸泡，去除聚甲基丙烯酸甲酯保護層，讓飽和吸收層暴露在外，再在惰性氣體中加熱徹底清除聚甲基丙烯酸甲酯；
[0031]步驟5)在所述的飽和吸收層上鍍、轉移或者生長一層功能層，形成飽和吸收體器件。
[0032]有益效果
[0033]本實用新型提供的基于二維層狀材料的實用化可飽和吸收器件及其制備方法，實現(xiàn)激光器的調(diào)Q和鎖模、光信號處理等應用，更重要的是發(fā)揮石墨烯與其他二維層狀飽和吸收材料疊層異質(zhì)結構可以靈活地調(diào)節(jié)調(diào)制深度的功效。
[0034]本實用新型提出復合材料構建的高反層，例如引入多層金屬/介質(zhì)或者多層全介質(zhì)高反層，減低了吸收損耗，提高了反射率，可在不同波長找到最優(yōu)材料組合。
[0035]本實用新型創(chuàng)造性地設置不同的功能層，在提高器件整