基于WS2/石墨烯异质结的超短脉冲光纤激光器的制作方法

本发明属于被动锁模超快光纤激光器技术领域，具体涉及一种大面积均匀WS₂/石墨烯异质结可饱和吸收体薄膜的制备，以及基于该材料的被动锁模光纤脉冲激光器。

背景技术：

超短脉冲(皮秒及飞秒量级)激光相对于传统的长脉冲(微秒及纳秒量级)的激光，在使用过程中对加工材料周围基本不会造成任何的热损伤，是一种超精密无损加工工具，因此超短脉冲激光在精密加工、手术医疗、科研等领域具有重要的研究和应用价值。尤其是超短脉冲光纤激光器，其具有结构简单、出光性能稳定、免维护、易携带等多重优势，已成为各行各业的优选高科技工具。

被动锁模是一种可用于产生超短脉冲激光的方法，其基本原理是在光路中加入饱和吸收体，光源通过饱和吸收体之后，边翼部分的损耗大于中央部分，导致光脉冲变窄，从而产生超短脉冲激光。由此可见，可饱和吸收体是超短脉冲激光最重要的零部件。目前，锁模激光器中使用较多的仍是半导体可饱和吸收镜(SESAM)，但是SESAM还是存在很多几乎不可克服的问题，如在制备方法上，SESAM通常是采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)法制备，不仅制作工艺复杂，而且必须基于昂贵的超净室制造系统，同时，性能上还存在工作波长范围窄(<100nm)、恢复时间长、调制深度难以调控、光损伤阈值低等诸多问题。因此寻找一种能够替代SESAM的可饱和吸收体材料成为了超短脉冲激光领域的研究热点。

石墨烯作为一种新型的二维材料，已经被广泛证实能够作为可饱和吸收体产生超短脉冲激光，但是石墨烯由于单原子层吸光太弱，导致调制深度太小(～1.3％)。WS₂，MoS₂等类石墨烯用作可饱和吸收体，克服了石墨烯存在的吸光弱、调制深度小的缺陷，但是WS₂，MoS₂的较长的激子衰减时间导致其不能有效压缩脉冲宽度，通常只能得到亚纳秒及皮秒量级的脉冲激光。因此，开发一种新型可饱和吸收体材料，获得调制深度大，且能有效压缩脉宽得到亚皮秒甚至飞秒量级的超快激光成为了一项有意义的工作。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种大面积均匀的WS₂/石墨烯异质结可饱和吸收体薄膜的制备方法，以及基于该材料的超短脉冲光纤激光器的搭建方法。

具体技术方案如下：

(1)WS₂薄膜制备：磁控溅射法在石英衬底上制备WS₂薄膜。采用WS₂多晶块体作为靶材，射频功率为60W，氩气气压为50Pa，石英衬底加热到200℃，持续沉积1～20min。将磁控溅射法制得的薄膜放在管式炉中做热处理，通氩气作为保护气，流速为100sccm。上游低温区放置高纯硫粉，设置温度为200℃，炉膛中心温度设置为550～850℃，保持1～10小时后自然降温至室温即可。

(2)石墨烯的覆盖：将生长在铜衬底上的石墨烯裁剪成所需要的大小及形状，用1000～3000rpm的转速在其表面涂覆一层5％的PMMA/苯甲醚溶液，时间为10～60s，80℃烘干，然后将其浸泡在过硫酸铵的过饱和溶液中，刻蚀掉铜衬底，使其漂浮在溶液表面。然后用高纯度去离子水冲洗石墨烯薄膜3～10遍，最后将其转移至WS₂薄膜的表面。

(3)WS₂/石墨烯异质结薄膜的剥离：采用质量分数为5％的PMMA/苯甲醚溶液，旋涂在WS₂/石墨烯异质结薄膜表面，旋涂转速为1000～3000rpm,时间为10～60s，80℃烘干，然后将其浸泡在强碱溶液中，在一定温度下加热，使薄膜脱离石英衬底，漂浮在表面。然后用去离子水漂洗三遍，裁剪成2×2mm的小片，待转移到光纤端面。

步骤(3)中的强碱溶液为NaOH、KOH或两者混合的溶液，溶液质量分数为10％～50％，加热温度为50℃～90℃。

基于上述步骤制备的WS₂/石墨烯异质结可饱和吸收体薄膜的脉冲光纤激光器包括泵浦光源和谐振腔两大部分。其中谐振腔为环形腔，依次连接波分复用器，增益光纤，偏振无关隔离器，偏振控制器，可饱和吸收体和耦合器形成环形谐振腔；泵浦光源与波分复用器的另一端相连。所述增益光纤为掺镱的光纤，泵浦源的波长为980nm，波分复用器的中心波长为1064nm。

本发明的优点:

(1)磁控溅射法制备的WS₂薄膜分布均匀、质量稳定、工艺简单，而且薄膜厚度可通过工艺参数，如溅射时间，精确控制。

(2)WS₂/石墨烯异质结可饱和吸收体，结合了WS₂和石墨烯的优点，可获得调制深度大，脉宽窄的超快激光。

(3)使用时，只需要将WS₂/石墨烯异质结薄膜转移到光纤连接头的端面即可，操作方便，而且整个激光光路系统都是在光纤内部运行的，不受外界环境的干扰，性能非常稳定。

附图说明

图1是实施例1中磁控溅射法制备的WS₂薄膜的吸收光谱。

图2是实施例1中磁控溅射法制备的WS₂薄膜的拉曼光谱。

图3是实施例1中磁控溅射法制备的WS₂薄膜的原子力显微镜图片。

图4是实施例1中磁控溅射法制备的WS₂薄膜的透射电镜图片。

图5是实施例中基于磁控溅射法制备的WS₂/石墨烯异质结可饱和吸收体薄膜的环形腔光纤脉冲激光器结构示意图。其中LD-激光泵浦源，WDM-波分复用器，YDF-镱掺杂光纤，PI-ISO-光路隔离器，PC-偏振控制器，OC-输出耦合器。

图6为实验测量的基于WS₂/石墨烯异质结可饱和吸收体薄膜的环形腔掺镱光纤脉冲激光器的脉冲序列图。

具体实施方式

下面通过具体的实验实施例子结合附图对本发明下行具体下述，有必要有出的是本实施例只用于对本发明做下一步说明，不能理不为对本发明保护范围的对制，本发明的保护范围由本附的本利要本书对定。

实施例1

步骤一：磁控溅射法在石英衬底上制备WS₂薄膜。采用WS₂多晶块体作为靶材，射频功率为60W，氩气气压为50Pa，石英衬底加热到200℃，持续沉积10min。将磁控溅射得到的薄膜放在管式炉中做热处理，通氩气作为保护气，流速为100sccm。上游低温区放置高纯硫粉，设置温度为200℃，炉膛中心温度设置为800℃，保持2小时后自然降温至室温即可。

步骤二：石墨烯的覆盖。将生长在铜衬底上的石墨烯裁剪成所需要的大小及形状，用2000rpm的转速在其表面涂覆一层5％的PMMA/苯甲醚溶液，时间为30s，80℃烘干，然后将其浸泡在过硫酸铵的过饱和溶液中，刻蚀掉铜衬底，使其漂浮在溶液表面。然后用高纯度去离子水冲洗石墨烯薄膜三遍，最后将其转移到WS₂薄膜的表面。

步骤三：采用质量分数为5％的PMMA/苯甲醚溶液，旋涂在步骤二中制得的WS₂/石墨烯异质结薄膜的表面，旋涂转速为2000rpm,时间为20s，80℃烘干，然后将其浸泡在质量分数为30％的KOH溶液中，在60℃下加热，使薄膜脱离衬底，漂浮在表面。然后用去离子水漂洗三遍，裁剪成2×2mm的小片。

本实施例中的光纤脉冲激光器采用环形腔结构，增益光纤选用掺镱光纤，泵浦源的波长为980nm，波分复用器的中心波长为1064nm。用光纤熔接机按照图5的顺序依次连接波分复用器，增益光纤，偏振无关隔离器，偏振控制器，可饱和吸收体和耦合器，在耦合器的输出端口连接相关仪器来测量光纤激光器的激光输出特性。

实施例2

步骤一：磁控溅射法在石英衬底上制备WS₂薄膜。采用WS₂多晶块体作为靶材，射频功率为60W，氩气气压为50Pa，石英衬底加热到200℃，持续沉积5min。将磁控溅射得到的薄膜放在管式炉中做热处理，通氩气作为保护气，流速为100sccm。上游低温区放置高纯硫粉，设置温度为200℃，炉膛中心温度设置为800℃，保持2小时后自然降温至室温即可。

步骤二：石墨烯的覆盖。将生长在铜衬底上的石墨烯裁剪成所需要的大小及形状，用2000rpm的转速在其表面涂覆一层5％的PMMA/苯甲醚溶液，时间为30s，80℃烘干，然后将其浸泡在过硫酸铵的过饱和溶液中，刻蚀掉铜衬底，使其漂浮在溶液表面。然后用高纯度去离子水冲洗石墨烯薄膜三遍，最后将其转移到WS₂薄膜的表面。

步骤三：采用质量分数为5％的PMMA/苯甲醚溶液，旋涂在步骤二中制得的WS₂/石墨烯异质结薄膜的表面，旋涂转速为2000rpm,时间为20s，80℃烘干，然后将其浸泡在质量分数为30％的KOH溶液中，在60℃下加热，使薄膜脱离衬底，漂浮在表面。然后用去离子水漂洗三遍，裁剪成2×2mm的小片。

本实施例中的光纤脉冲激光器采用环形腔结构，增益光纤选用掺镱光纤，泵浦源的波长为980nm，波分复用器的中心波长为1064nm。用光纤熔接机按照图5的顺序依次连接波分复用器，增益光纤，偏振无关隔离器，偏振控制器，可饱和吸收体和耦合器，在耦合器的输出端口连接相关仪器来测量光纤激光器的激光输出特性。

实施例3

本实施例提供一种脉冲光纤激光器，其包括基于泵浦光源和谐振腔，其特征在于，还包括一种WS₂/石墨烯异质结薄膜可饱和吸收体，所述WS₂/石墨烯异质结薄膜可饱和吸收体布置在激光器的增益光纤端面。所述增益光纤为掺镱的光纤，泵浦源的波长为980nm，波分复用器的中心波长为1064nm。

其中，所述谐振腔为环形腔，包括波分复用器，增益光纤，偏振无关隔离器，偏振控制器，可饱和吸收体和耦合器依次连接形成的环形谐振腔；所述泵浦光源与波分复用器的输入端相连。

而本实施例所使用的WS₂/石墨烯异质结薄膜可饱和吸收体的制备，包括如下步骤：

(1)WS₂薄膜制备：通过磁控溅射法在石英衬底上制备WS₂薄膜，采用WS₂多晶块体作为靶材，射频功率为60W，氩气气压为50Pa，石英衬底加热到200℃，持续沉积1～20min；

(2)WS₂薄膜加热：将磁控溅射法制得的所述WS₂薄膜置于管式炉中做热处理，通氩气作为保护气，其流速为100sccm；并在所述WS₂薄膜上游低温区放置高纯硫粉，设置温度为200℃，炉膛中心温度设置为550～850℃，保持1～10小时后自然降温至室温；

(3)石墨烯的覆盖：将生长在铜衬底上的石墨烯裁剪成适合的大小及形状，用1000～3000rpm的转速在其表面涂覆一层5％的PMMA/苯甲醚溶液，涂覆时间为10～60s，80℃烘干，然后将其浸泡在过硫酸铵的过饱和溶液中，刻蚀掉铜衬底，使所述石墨烯形成石墨烯薄膜漂浮在溶液表面，然后用高纯度去离子水冲洗所述石墨烯薄膜3～10遍，再将所述石墨烯薄膜转移至WS₂薄膜的表面以得到WS₂/石墨烯异质结薄膜；

(4)WS₂/石墨烯异质结薄膜的剥离：采用质量分数为5％的PMMA/苯甲醚溶液，旋涂在所述WS₂/石墨烯异质结薄膜表面，旋涂转速为1000～3000rpm,时间为10～60s，80℃烘干，然后将其浸泡在强碱溶液中，加热使薄膜脱离石英衬底，漂浮在强碱溶液表面；然后用去离子水漂洗三遍，裁剪成2×2mm的小片。