基于二维层状材料的实用化可饱和吸收器件的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种基于二维层状材料的实用化可饱和吸收器件及其制备方法，属于激光器的可饱和吸收体领域。
【背景技术】
[0002]采用锁模或调Q技术的脉冲激光器，具有峰值功率高，脉冲宽度窄的特点，在工业微加工、医疗、超快过程科学研宄和光通讯等领域都有及其重要的应用。实现锁模和调Q的技术，可分为主动和被动两类，其中，在激光腔内插入可饱和吸收器件，实现被动锁模和调Q的方法，由于不需要外加电场或光场调制，更加方便高效，且价格低廉，是广泛使用的一种方法。目前市场上主要使用的光纤激光器锁模器件基于半导体可饱和吸收镜(SESAM)。但是，半导体可饱和吸收镜存在很多很难克服的缺点。首先，SESAM需要复杂且昂贵的基于洁净室的制造系统，制造工艺复杂，成本高；其次，由于II1-1V族半导体的固有带隙，饱和吸收光谱范围狭窄；第三，SESAM的光损伤阈值也很低，很难应用在高功率激光领域中。近年来，单壁碳纳米管(SWCNT)和以石墨烯为代表的二维层状材料是受到该领域关注较多的两类替代SESAM的新型可饱和吸收体材料。SffCNT具有电子弛豫时间快、易于制作，成本低，光损伤阈值高的优点，但是其不均匀的手型性质对于可饱和吸收体的性质的精确控制存在固有问题，且限制了饱和吸收的带宽。
[0003]石墨烯可饱和吸收体自2009年被发现以来，以其特有的超宽波段工作波长(可见波段到微波波段可工作)、超快的电子弛豫时间、可观的光调制深度、低饱和阈值等优点，受到广泛的研宄和关注。目前，石墨烯可饱和吸收体的制作方法主要是:在光纤激光器中，采用化学转移或者光学沉积的方法，将石墨烯直接和FC/PC光纤头结合，形成光纤头/石墨烯/光纤头三明治结构；在固体激光器中，采用化学转移，或者旋涂的方法，将石墨烯转移在石英片一类的透明基底上，形成透射式可饱和吸收器件；或将石墨烯置于金银铜铝一类金属反射层上，形成反射式可饱和吸收器件。这几种方法都有一定局限性:
[0004]I)反射层反射率不够高，吸收损耗大。高性能激光器需要极高反射率和极低损耗，因而对材料和结构要求更高。单一金属作为反射层，虽然金属反射膜具有较高的反射率，但具有一定的吸收能力，影响光的质量。所以金属反射膜不适用于要求膜层的吸收损耗小的高性能激光领域；经研宄发现，单一金属反射膜的反射率往往难以达到多层全介质高反膜和金属/介质反射膜的反射率，对于高反膜而言，即使反射率提高0.01%，对输出功率也有很大贡献，比如多层全介质高反膜反射率可以达到99%以上，而一般的金属膜难以达到如此高的反射率；从紫外到中红外等波长，不同波长往往需要针对性制备高性能高反膜，单一金属膜难以满足这样的要求；而且大部分单一金属膜在空气中容易起化学反应而变质，导致反射膜不稳定。
[0005]2)大部分制造方法都需要在水溶液中人工转移。由于水的表面张力较大以及人工操作的不确定性，转移过程会不可避免地破坏石墨烯或其他二维层状材料的的完整性的连续性，导致器件成品率不高
[0006]3)单一金属反射层与基底层、饱和吸收层与反射层之间附着性差和机械强度低，而且容易吸水，因而稳定性和寿命收到影响。
[0007]4)在一些特定场合，饱和吸收层单纯用石墨烯材料无法获得特定需求的光学性能参数，对饱和吸收材料的调制深度和光激发弛豫时间难以实现调控。
[0008]5)饱和吸收层和整个器件的抗机械损伤和光热损伤阈值有待提高。
[0009]6)部分采用透射方式，直接插在腔中，增加了腔内的损耗，不适用于低增益的激光器。
【实用新型内容】
[0010]本实用新型针对上述不足提供了一种基于二维层状材料的实用化可饱和吸收器件及其制备方法。
[0011]本实用新型采用如下技术方案:
[0012]本实用新型所述的基于二维层状材料的实用化可饱和吸收器件，包括基底，高反层，可饱和吸收层，功能层；所述的功能层的一端面与可饱和吸收层相连，可饱和吸收层的一端面与高反层相连，高反层的一端面与基底相连。
[0013]本实用新型所述的基于二维层状材料的实用化可饱和吸收器件，所述的高反层与可饱和吸收层之间设有功能层二。
[0014]本实用新型所述的基于二维层状材料的实用化可饱和吸收器件，所述的高反层与基底之间设有功能层三。
[0015]本实用新型所述的基于二维层状材料的实用化可饱和吸收器件，所述的高反层与可饱和吸收层之间设有功能层二；高反层另一端面与与基底之间设有功能层三。
[0016]本实用新型所述的基于二维层状材料的实用化可饱和吸收器件，基底的另一端面设有减反层。
[0017]本实用新型所述的基于二维层状材料的实用化可饱和吸收器件，所述的基底的一端面布置高反层，高反层相对于基底的另一端面设置可饱和吸收层，可饱和吸收层相对于高反层的另一端面设置功能层，功能层相对于可饱和吸收层的另一端面设置高反层二，高反层二相对于功能层的另一端面设有掺钕钒酸钇层，掺钕钒酸钇层相对于高反层二的另一端面设有减反层二。
[0018]本实用新型所述的基于二维层状材料的实用化可饱和吸收器件，所述的高反层由金属材料或半导体材料或介质材料中的两种或两种以上材料组合而制成；
[0019]所述的金属材料采用:金或银或铜或铝或镍或锗或铬；
[0020]所述的半导体材料采用AlGaAs或InGaAs或砷化镓或砷化铝等砷化物或硅；
[0021]所述的介质材料采用氧化物或氟化物或硫化物或氮化物或砸化物。
[0022]所述的饱和吸收层由石墨烯、石墨烯衍生物、BN，MoS2、WS2、WSe2，Bi2Se3, Bi2Te3或Sb2Te3的单层、双层或多层薄膜构成，又或者由石墨烯、石墨烯衍生物、BN, MoS2, WS2、WSe2,Bi2Se3,13;[2163或Sb 2Te3中两种或两种以上叠层异质结构薄膜。
[0023]本实用新型所述的基于二维层状材料的实用化可饱和吸收器件，功能层由一种或二种或者多种材料组合构成。
[0024]本实用新型所述的基于二维层状材料的实用化可饱和吸收器件，所述的饱和吸收器件的基底或减反层放置在铜基或者中心开孔的铜基上；
[0025]所述的饱和吸收器件的功能层或减反层与光纤尾纤端面相连；所述的基底由玻璃或硅或二氧化硅或碳化硅或石英或蓝宝石或砷化镓、砷化铝或氟化物或砸化物或氧化物介质材料制成。
[0026]本实用新型所述的基于二维层状材料的实用化可饱和吸收器件的制备方法，其特征在于，制备步骤如下:
[0027]步骤I)将基底层上镀数层或者多层两种或者多种不同折射率材料的周期性结构薄膜形成高反层，再对高反层进行氮等离子体处理；
[0028]步骤2)在所述经过等离子体处理的高反层上镀一层铜或者镍作为金属催化剂层，采用化学气相沉积或者等离子体化学气相沉积或者低气压化学气相沉积或者感应耦合等离子体气相沉积的方法，在金属催化层上生长或蒸镀一种或者不同种饱和吸收材料形成饱和吸收层，随后采用旋涂的方法在石墨烯薄膜上旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯保护层；
[0029]步骤3)使用刻蚀液对金属催化剂层进行化学刻蚀，金属催化剂层被化学刻蚀完毕，经高温处理，高反层和可饱和吸收层粘附在一起实现紧贴；
[0030]步骤4)再采用丙酮等化学试剂浸泡，去除聚甲基丙烯酸甲酯保护层，让饱和吸收层暴露在外，再在惰性气体中加热彻底清除聚甲基丙烯酸甲酯；
[0031]步骤5)在所述的饱和吸收层上镀、转移或者生长一层功能层，形成饱和吸收体器件。
[0032]有益效果
[0033]本实用新型提供的基于二维层状材料的实用化可饱和吸收器件及其制备方法，实现激光器的调Q和锁模、光信号处理等应用，更重要的是发挥石墨烯与其他二维层状饱和吸收材料叠层异质结构可以灵活地调节调制深度的功效。
[0034]本实用新型提出复合材料构建的高反层，例如引入多层金属/介质或者多层全介质高反层，减低了吸收损耗，提高了反射率，可在不同波长找到最优材料组合。
[0035]本实用新型创造性地设置不同的功能层，在提高器件整