专利名称：基于SiC衬底外延生长的石墨烯被动锁模激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及基于SiC衬底上外延生长的石墨烯作为可饱和吸收体用于激光器被动锁模，属于激光技术及其非线性光学领域。
背景技术：
光纤激光器与其他类型激光器相比，具有效率高、体积小、光束质量好等优点，可广泛应用于光纤通讯、材料加工等领域。特别是高平均功率、高重复频率的被动锁模脉冲光纤激光器在精密激光微加工等领域具有无法比拟的优势。通常实现被动锁模的技术有半导体可饱和吸收镜(SESAM)、碳纳米管(SWNT)等技术。然而SESAM具有制作工艺复杂、生产成本高、可饱和吸收光谱范围相对较窄等不足。而SWNT与SESAM相比具有成本低廉、可饱和吸收光谱范围宽等优势，但是制作SWNT可饱和吸收体时其直径的不可控性，导致SWNT对某些特定的激光波长而言，增加了插入损耗，导致可饱和吸收效应不明显等问题。石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，是构建其他维度碳质材料(如零维富勒烯、一维碳纳米管、三维石墨)的基本单元。2004 年，英国曼彻斯特大学2位科学家安德烈·盖姆(Andre Geim)和康斯坦丁 ·诺沃肖罗夫 (Konstantin Novoselov)首次通过机械剥离的方法从大块石墨上得到了这种纳米级的石墨烯薄片。石墨烯材料作为可饱和吸收体用于激光器锁模具有可饱和吸收的工作波段较宽，覆盖了从可见光到中红外的波长范围等优势，因此石墨烯材料其成为最具潜力的，有望将来替代SESAM的锁模器件。目前制备石墨烯材料主要采用化学气相沉积法，化学分离法，SiC衬底外延生长法。SiC衬底外延法与化学气相沉积法和机械剥离法相比，生长的石墨烯具有更高的可重复性、更好的导热性和可操作性，因此SiC衬底外延法更适合大规模生产制造性能良好、层数可控的石墨烯，此外SiC本身就是一种性能优越的半导体材料，因此这种制备方法在技术上占有很大的优势。
发明内容
石墨烯材料作为可饱和吸收体用于激光器被动锁模具有结构简单、价格低廉以及可饱和吸收波段较宽等优势，而SiC衬底上外延生长石墨烯又具有更高的可重复性、更好的导热性和可操作性，因此SiC衬底外延法更适合大规模生产制造性能良好、层数可控的石墨烯；此外SiC本身就是一种性能优越的半导体材料，因此外延生长石墨烯的方法在技术上占有很大的优势。本发明采用SiC衬底上外延生长的石墨烯作为可饱和吸收体用于激光器被动锁模。石墨烯被动锁模的激光器可以实现高重复频率、高脉冲能量的超短脉冲输出，可以作为高功率超短脉冲激光器的种子源以及中红外激光器的泵浦源，也可应用于材料微加工等，有着广泛的应用前景。为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。本发明结构包括泵浦源、波分复用器、掺杂光纤、激光分束器、单模光纤、环形器、SiC衬底、SiC衬底上外延生长的石墨烯、偏振控制器、激光后腔镜、光纤光栅、介质全反射镜和增益介质等。所述的基于SiC衬底外延生长的石墨烯被动锁模激光器可以为环形腔结构的光纤激光器、线形腔结构的光纤激光器或者固体激光器。一种基于SiC衬底外延生长的石墨烯锁被动模激光器，泵浦源1连接波分复用器 2的泵浦输入端；波分复用器2的公共端连接掺杂光纤3 ；掺杂光纤3的另一端连接激光分束器4 ；激光分束器4有两路输出，一路直接输出激光，另一路通过单模光纤5连接至环形器6的一个输入端；SiC衬底7上生长的石墨烯8位于环形器6的公共端；环形器6的输出端连接偏振控制器9 ；偏振控制器9的另一端连接波分复用器2的信号端；所述的波分复用器2、掺杂光纤3、激光分束器4、单模光纤5、环形器6、SiC衬底7、偏振控制器9构成环形腔结构的超快光纤激光器，SiC衬底7上生长的石墨烯8作为激光锁模装置，锁模脉冲激光从激光分束器4和SiC衬底7输出。一种基于SiC衬底外延生长的石墨烯锁被动模激光器，泵浦源1连接波分复用器 2的泵浦输入端；波分复用器2的公共端连接掺杂光纤3 ；掺杂光纤3的另一端通过单模光纤5连接环形器6的一个输入端；作为激光输出镜的SiC衬底7上生长的石墨烯8位于环形器6的公共端；环形器6的另一个输出端连接偏振控制器9 ；偏振控制器9的另一端连接波分复用器2的信号端；所述的波分复用器2、掺杂光纤3、单模光纤5、环形器6、SiC衬底 7、偏振控制器9构成环形腔结构的超快光纤激光器，SiC衬底7上生长的石墨烯8作为激光锁模装置，锁模脉冲激光从SiC衬底7输出。一种基于SiC衬底外延生长的石墨烯锁被动模激光器，泵浦源1连接波分复用器 2的泵浦输入端；波分复用器2的公共端连接偏振控制器9 ；偏振控制器9的另一端连接掺杂光纤3 ；掺杂光纤3的另一端连接作为激光输出镜的SiC衬底7上生长的石墨烯8 ；波分复用器2的另一端连接激光后腔镜10 ；激光后腔镜10与SiC衬底7之间构成线形激光谐振腔，锁模脉冲激光从SiC衬底7输出。一种基于SiC衬底外延生长的石墨烯被动锁模激光器，泵浦源1连接波分复用器 2的泵浦输入端；波分复用器2的公共端连接偏振控制器9 ；偏振控制器9的另一端连接掺杂光纤3 ；掺杂光纤3的另一端连接激光分束器4 ；激光分束器4有两路输出端，一路为激光直接输出端，另一路连接至SiC衬底7上生长的石墨烯8 ；波分复用器2的另外一端连接激光后腔镜10 ；激光后腔镜10与SiC衬底7之间构成线形激光谐振腔。脉冲激光可从SiC 衬底7和激光分束器4的输出端同时输出。上述的泵浦源1是半导体激光器、固体激光器、光纤激光器或拉曼激光器，泵浦光的中心波长λ的范围为500nm彡λ彡2000nm。上述的掺杂光纤3是掺有稀土元素中一种或多种掺杂的光纤或光子晶体光纤。上述的掺杂光纤3是保偏光纤或非保偏光纤。上述的激光后腔镜10是镀金全反射镜、镀银全反射镜、镀介质全反射镜或光纤光栅。一种基于SiC衬底外延生长的石墨烯被动锁模激光器，所述的增益介质12—侧放置镀泵浦光增透膜的介质全反射镜11，SiC衬底7位于增益介质12的另一侧作为激光输出镜，SiC衬底7上生长有石墨烯8 ；泵浦光经介质全反射镜11后进入增益介质12，介质全反射镜11将与SiC衬底7形成激光谐振腔，脉冲激光将从SiC衬底7输出。上述的增益介质12可以为激光晶体、激光陶瓷或者激光玻璃。本发明SiC衬底外延生长的石墨烯被动锁模激光器具有以下优点1、本发明采用SiC衬底材料作为激光输出镜，由于SiC衬底本身就是一种性能优越的半导体材料，因此外延生长石墨烯的方法在技术上占有很大的优势。2、本发明采用SiC衬底上外延生长的石墨烯作为可饱和吸收体，由于SiC衬底具有更好的导热性，因此锁模激光器能实现高稳定性、高重复频率、大脉冲能量的超短激光脉冲输出。3、本发明采用SiC衬底外延法制备的石墨烯作为可饱和吸收体用于激光器被动锁模，具有更高的可重复性、可操作性，因此更适合大规模、低成本的生产制造性能良好、层数可控的石墨烯用于激光器被动锁模，更易于石墨烯作为可饱和吸收体的产业化。
图1为实施例ISiC衬底外延生长的石墨烯被动锁模光纤激光器的结构图。图2为实施例2SiC衬底外延生长的石墨烯被动锁模光纤激光器的结构图。图3为实施例3SiC衬底外延生长的石墨烯被动锁模光纤激光器的结构图。图4为实施例4SiC衬底外延生长的石墨烯被动锁模光纤激光器的结构图。图5为实施例5SiC衬底外延生长的石墨烯被动锁模固体激光器的结构图。图中1、泵浦源，2、波分复用器，3、掺杂光纤，4、激光分束器，5、单模光纤，6、环形器，7、SiC衬底，8、SiC衬底上外延生长的石墨烯，9、偏振控制器，10、激光后腔镜，11、介质全反射镜，12、增益介质。
具体实施例方式下面结合图示1-5对本发明作进一步说明，但不仅限于以下几种实施例。实施例1一种基于SiC衬底外延生长的石墨烯被动锁模激光器结构如图1所示。中心波长为974nm的泵浦源1连接波分复用器2的泵浦输入端；波分复用器2的公共端连接Im长的掺镱单包层光纤3;掺镱光纤3的另一端连接分光比为20 80的激光分束器4;激光分束器4将光分为两束，20%的光从分束器4的输出端输出，另外80%的光到达环形器6的端口 1 ；由于光只能单向顺序通过环形器6的三个端口，因而光由环形器6端口 1进入，由环形器6的端口 2出来的光经过石墨烯8后到达SiC衬底7，由于SiC衬底7对激光具有一定的反射，因此一部分光从SiC衬底7输出，另外一部分被SiC衬底7反射回来再通过环形器 6的端口 2，到达环形器6的端口 3 ；环形器6的端口 3连接偏振控制器9。SiC衬底7上生长的石墨烯8是锁模装置，通过调节偏振控制器9可以优化锁模状态，使得锁模激光脉冲更稳定。锁模激光脉冲可以从激光分束器4和SiC衬底7输出。实施例2一种基于SiC衬底外延生长的石墨烯被动锁模激光器结构如图2所示。中心波长为974nm的泵浦源1连接波分复用器2的泵浦输入端；波分复用器2的公共端连接Im长的掺镱单包层光纤3 ；掺镱光纤3的另一端连环形器6的端点1，由于光只能单向顺序通过环形器6的三个端口，因而光由环形器6端口 1进入，由环形器6的端口 2出来的光经过石墨烯8后到达SiC衬底7，由于SiC衬底7对激光具有一定的反射，因此一部分光从SiC衬底 7输出，另一部分光被SiC衬底7反射回来再通过环形器6端口 2，到达环形器6的端口 3 ； 环形器6的端口 3连接偏振控制器9，从而形成激光振荡。SiC衬底7上生长的石墨烯8是锁模装置，通过调节偏振控制器9可以优化锁模的状态，使得锁模激光脉冲更稳定。实施例3一种基于SiC衬底外延生长的石墨烯被动锁模激光器结构如图3所示。中心波长为974nm的泵浦源1连接波分复用器2的泵浦输入端；波分复用器2的公共端连接偏振控制器9的一端；而偏振控制器9的另一端连接: 长的掺铒光纤3 ；掺铒光纤3的另一端连接SiC衬底7上生长的石墨烯8。波分复用器2另外一端连接反射率为99%的光纤布拉格光栅10 ；SiC衬底7对激光具有一定的反射，因而SiC衬底7与光纤布拉格光栅10之间形成谐振腔，SiC衬底7作为激光输出镜实现锁模脉冲激光输出。实施例4—种基于SiC衬底外延生长的石墨烯被动锁模激光器结构如图4所示。中心波长为974nm泵浦源1连接波分复用器2的泵浦输入端；波分复用器2的公共端连接偏振控制器9的一端；而偏振控制器9的另一端连接: 长的掺铒光纤3 ；掺而光纤的另一端连接分光比为20 80的激光分束器4;激光分束器4将光分为两束，20%的光从分束器4的输出端输出，另外80%的光经过石墨烯8到达SiC衬底7 ；波分复用器2另一端连接全反射镜 10，SiC衬底7对激光具有一定的反射，因此全反射镜与SiC衬底7之间形成激光谐振腔； SiC衬底7上外延生长的石墨烯8实现激光脉冲的调制后最终从SiC衬底7和激光分束器的输出端输出。实施例5一种基于SiC衬底外延生长的石墨烯被动锁模激光器结构如图5所示。增益介质采用Nd:YAG激光晶体12，Nd:YAG激光晶体12的一侧放置镀膜泵浦光增透膜的介质全反射镜11，Nd: YAG激光晶体12的另一侧放置SiC衬底7，SiC衬底7上生长的石墨烯8作为激光锁模装置；中心波长为808nm的泵浦光从介质全反射镜11的一侧进入Nd:YAG激光晶体 12，介质全反射镜11表面镀有808nm增透膜和1064nm高反膜，因而可以作为谐振腔的后腔镜；SiC衬底7对激光具有一定得反射率，从而作为激光的输出镜。SiC衬底7表面外延生长的石墨烯8实现激光脉冲的调制，最终从SiC衬底7输出。
权利要求
1.一种基于SiC衬底外延生长的石墨烯被动锁模激光器，其特征在于泵浦源(1)连接波分复用器O)的泵浦输入端；波分复用器O)的公共端连接掺杂光纤(3)；掺杂光纤 (3)的另一端连接激光分束器；激光分束器(4)有两路输出，一路直接输出激光，另一路通过单模光纤(5)连接至环形器(6)的一个输入端；SiC衬底(7)上生长的石墨烯⑶位于环形器(6)的公共端；环形器(6)的输出端连接偏振控制器(9)；偏振控制器(9)的另一端连接波分复用器O)的信号端；所述的波分复用器O)、掺杂光纤(3)、激光分束器0)、 单模光纤(5)、环形器(6)、SiC衬底(7)、偏振控制器(9)构成环形腔结构的超快光纤激光器，SiC衬底(7)上生长的石墨烯(8)作为激光锁模装置，锁模脉冲激光从激光分束器(4) 和SiC衬底(7)输出。
2.一种基于SiC衬底外延生长的石墨烯锁被动模激光器，其特征在于泵浦源(1)连接波分复用器O)的泵浦输入端；波分复用器O)的公共端连接掺杂光纤(3)；掺杂光纤 (3)的另一端通过单模光纤( 连接环形器(6)的一个输入端；作为激光输出镜的SiC衬底(7)上生长的石墨烯(8)位于环形器(6)的公共端；环形器(6)的另一个输出端连接偏振控制器(9)；偏振控制器(9)的另一端连接波分复用器(2)的信号端；所述的波分复用器 (2)、掺杂光纤(3)、单模光纤(5)、环形器(6)、SiC衬底(7)、偏振控制器(9)构成环形腔结构的超快光纤激光器，SiC衬底(7)上生长的石墨烯(8)作为激光锁模装置，锁模脉冲激光从SiC衬底(7)输出。
3.一种基于SiC衬底外延生长的石墨烯被动锁模激光器，其特征在于泵浦源(1)连接波分复用器( 的泵浦输入端；波分复用器( 的公共端连接偏振控制器(9)；偏振控制器(9)的另一端连接掺杂光纤(3)；掺杂光纤(3)的另一端连接作为激光输出镜的SiC衬底(7)上生长的石墨烯⑶；波分复用器(2)的另一端连接激光后腔镜(10)；激光后腔镜 (10)与SiC衬底(7)之间构成线形激光谐振腔，锁模脉冲激光从SiC衬底(7)输出。
4.一种基于SiC衬底外延生长的石墨烯被动锁模激光器，其特征在于泵浦源(1)连接波分复用器( 的泵浦输入端；波分复用器( 的公共端连接偏振控制器(9)；偏振控制器(9)的另一端连接掺杂光纤(3)；掺杂光纤(3)的另一端连接激光分束器；激光分束器(4)有两路输出端，一路为激光直接输出端，另一路连接至SiC衬底(7)上生长的石墨烯 (8)；波分复用器O)的另外一端连接激光后腔镜(10)；激光后腔镜(10)与SiC衬底(7) 之间构成线形激光谐振腔。脉冲激光可从SiC衬底(7)和激光分束器(4)的输出端同时输出ο
5.根据权利要求1或权利要求2或权利要求3或权利要求4所述的一种基于SiC衬底外延生长的石墨烯被动锁模激光器，其特征在于所述的泵浦源(1)是半导体激光器、固体激光器、光纤激光器或拉曼激光器，泵浦光的中心波长λ的范围为500nm< λ ^ 2000nmo
6.根据权利要求1或权利要求2或权利要求3或权利要求4所述的一种基于SiC衬底外延生长的石墨烯被动锁模激光器，其特征在于所述的掺杂光纤C3)是掺有稀土元素中一种或多种掺杂的光纤或光子晶体光纤。
7.根据权利要求1或权利要求2或权利要求3或权利要求4所述的一种基于SiC衬底外延生长的石墨烯被动锁模激光器，其特征在于所述的掺杂光纤C3)是保偏光纤或非保偏光纤。
8.根据权利要求3或权利要求4所述的一种SiC衬底外延生长的石墨烯被动锁模激光器，其特征在于所述的激光后腔镜(10)是镀金全反射镜、镀银全反射镜、镀介质全反射镜或者光纤光栅。
9.一种基于SiC衬底外延生长的石墨烯被动锁模激光器，其特征在于增益介质(12) 一侧放置镀泵浦光增透膜的介质全反射镜(ll)，SiC衬底(7)位于增益介质(1 的另一侧作为激光输出镜，SiC衬底(7)上生长有石墨烯(8)；泵浦光经介质全反射镜(11)后进入增益介质(12)，介质全反射镜(11)将与SiC衬底(7)形成激光谐振腔，脉冲激光将从SiC衬底(7)输出。
10.根据权利要求9所述的一种基于SiC衬底外延生长的石墨烯被动锁模激光器，其特征在于所述的增益介质(1 为激光晶体、激光陶瓷或激光玻璃。
全文摘要
本发明涉及一种基于SiC衬底外延生长的石墨烯被动锁模激光器，属于激光技术及其非线性光学领域。主要包括SiC衬底、SiC衬底上外延生长的石墨烯、掺杂光纤、增益介质、泵浦源、波分复用器、激光分束器、单模光纤、环形器以及偏振控制器等，利用石墨烯的可饱和吸收特性实现高稳定性、高脉冲能量锁模激光输出。SiC衬底外延生长的石墨烯可重复性高、导热性好以及操作性强，因此SiC衬底外延生长的石墨烯更易于低成本、大规模应用于被动锁模激光器中。
文档编号H01S3/098GK102208743SQ20111010091
公开日2011年10月5日 申请日期2011年4月21日 优先权日2011年4月21日
发明者刘江, 王璞 申请人:北京工业大学