一种异质结可饱和吸收镜及其制备方法、脉冲光纤激光器与流程

本发明属于激光技术领域，尤其涉及一种异质结可饱和吸收镜及其制备方法、脉冲光纤激光器。

背景技术：

利用被动锁模技术是光纤激光器实现超快脉冲输出的一种有效途径，而被动锁模的关键技术是光纤激光器谐振腔中需要具备可饱和吸收效应。目前，研究人员已经利用多种可饱和吸收效应在光纤激光器中获得被动锁模超快脉冲输出。一般来说，为了克服光纤激光锁模环境不稳定的缺点，研究人员通常采用半导体可饱和吸收镜(SESAM)来实现光纤激光器锁模超快脉冲输出。

然而，由于商用SESAM价格昂贵、制作工艺复杂、可饱和吸收带宽窄、一般仅支持皮秒级别的脉冲输出，并且损伤阈值也较低，所以也不适用于全方位研究超快光纤激光器的动力学特性。因此，研制出成本低廉、工艺简单、高性能的可饱和吸收体一直是超快激光物理领域追求的目标。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种异质结可饱和吸收镜及其制备方法、脉冲光纤激光器，以解决现有技术中所采用的商用SESAM价格昂贵、制作工艺复杂、可靠性低的缺陷。

本发明是这样实现的，一种异质结可饱和吸收镜，所述异质结可饱和吸收镜包括基底、覆盖在所述基底上的金膜层及覆盖在所述金膜层上的原子层级二维材料薄膜；

所述原子层级二维材料薄膜包括依次设置的原子层级二维材料慢可饱和吸收体异质结薄膜、隔离材料及原子层级二维材料快可饱和吸收体异质结薄膜。

进一步地，所述原子层级二维材料异质结可饱和吸收镜还包括封装保护层，所述封装保护层覆盖在所述原子层级二维材料薄膜上；所述封装保护层为六角氮化硼。

进一步地，所述金膜层的厚度为30-300nm。

进一步地，所述原子层级二维材料慢可饱和吸收体异质结薄膜包括二硫化钼、二硒化钼、二硒化锆、二硫化锆、二硫化锡、二硒化锡中的至少一种。

进一步地，所述原子层级二维材料快可饱和吸收体异质结薄膜包括石墨烯，二硫化钨、二硒化钨、二碲化钨、二碲化钼、二硫化铪、二硒化铪、二硒化铼、二硫化铼和硒化铟中的至少一种。

本发明还提供了一种异质结可饱和吸收镜的制备方法，包括以下步骤：

将基底及金靶材置于真空室中；

将所述金靶材表面电离化以产生金的等离子体，利用磁控溅射沉积法将所述金的等离子体沉积在所述基底上形成金膜层；通过控制沉积时间及/或沉积温度使所述金膜层达到所需厚度；

将原子层级二维材料转移到所述金膜层上形成原子层级二维材料薄膜，获得异质结可饱和吸收镜。

进一步地，所述制备方法还包括：

使用六角氮化硼对所述异质结可饱和吸收镜进行封装，获得封装保护层。

本发明还提供了一种脉冲光纤激光器，所述脉冲光纤激光器包括顺次连接的半导体泵浦激光器、光学波分复用器、增益光纤、光学耦合器、光隔离器、光学环形器及上述所述的异质结可饱和吸收镜，且所述光学环形器与所述光学波分复用器连接，形成环形腔结构；其中，所述光隔离器用于隔离锁模后的激光，仅允许锁模后的激光在所述脉冲光纤激光器内单向输出；

所述半导体泵浦激光器产生的泵浦光经所述光学波分复用器耦合后进入所述增益光纤产生锁模所需要的激光脉冲并对所述激光脉冲进行放大；

所述光学耦合器将放大后的所述激光脉冲的一部分输出到腔外而将另一部分输出至所述光学环形器，进入所述光学环形器的激光脉冲被耦合后进入所述异质结可饱和吸收镜进行锁模，锁模后的激光脉冲再经所述光学环形器返回至所述光学波分复用器，然后经所述增益光纤锁模放大后再通过所述光学耦合器输出脉冲激光。

进一步地，所述脉冲光纤激光器还包括偏振控制器，其位于所述光隔离器与所述光学环形器之间，用于控制所述环形腔内的激光的偏振状态。

本发明还提供了一种脉冲光纤激光器，所述脉冲光纤激光器包括顺次连接的半导体泵浦激光器、光学波分复用器、布拉格光栅、增益光纤及上述所述的异质结可饱和吸收镜；

半导体泵浦激光器产生的泵浦光经光学波分复用器耦合后进入布拉格光栅，经布拉格光栅透射后再进入增益光纤产生激光脉冲，异质结可饱和吸收镜对所述激光脉冲进行锁模，锁模后的激光脉冲沿原路返回至增益光纤进行放大，放大后的激光脉冲再通过布拉格光栅透射后由光学波分复用激光器输出。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明实施例提供的异质结可饱和吸收镜，利用不同二维原子层级材料交替叠加，形成原子层级的二维材料异质结可饱和吸收镜，这种新型可饱和吸收镜可结合二维层状材料本身的优异特性，使用异质结结构实现对饱和吸收材料能带带隙的调控；同时，特定的二维材料交替叠加结构能够实现快慢可饱和吸收体级联，实现对可饱和吸收体非线性特性(可饱和调制深度，饱和光强等)的调控。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的异质结可饱和吸收镜的结构示意图；

图2是本发明第三实施例提供的脉冲光纤激光器的结构示意图；

图3是本发明第四实施例提供的脉冲光纤激光器的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1，本发明第一实施例提供了一种异质结可饱和吸收镜100，包括基底101、覆盖在基底101上的金膜层102及覆盖在金膜层102上的原子层级二维材料薄膜；

所述原子层级二维材料薄膜包括依次设置的原子层级二维材料慢可饱和吸收体异质结薄膜103、隔离材料104及原子层级二维材料快可饱和吸收体异质结薄膜105。

本发明第一实施例提供的异质结可饱和吸收镜100中，所述原子层级二维材料薄膜是指厚度为单个原子层的二维材料薄膜，通过利用不同二维原子层级材料交替叠加，形成原子层级的二维材料异质结可饱和吸收镜，这种新型可饱和吸收镜可结合二维层状材料本身的优异特性，使用异质结结构实现对饱和吸收材料能带带隙的调控；同时，特定的二维材料交替叠加结构能够实现快慢可饱和吸收体级联，实现对可饱和吸收体非线性特性(可饱和调制深度，饱和光强等)的调控。

具体地，基底101为硅或碳化硅。隔离材料104为单层或多层六角氮化硼。六角氮化硼是宽带隙的半导体材料，将其作为隔离材料置于原子层级二维材料慢可饱和吸收体异质结薄膜和原子层级二维材料快可饱和吸收体异质结薄膜之间，避免两种材料相互影响。

具体地，原子层级二维材料异质结可饱和吸收镜100还包括封装保护层106，封装保护层106覆盖在所述原子层级二维材料薄膜上；封装保护层106为六角氮化硼。封装保护层106的作用是使用原子层的六角氮化硼对异质结可饱和吸收镜100的最外层进行封装，使异质结可饱和吸收镜100与空气隔离，从而避免其被空气中的氧气氧化。

具体地，所述金膜层的厚度为30-300nm。

具体地，所述原子层级二维材料薄膜包括石墨烯和过渡金属硫化物。所述过渡金属硫化物包括二硫化钨、二硒化钨、二硫化钼、二硒化钼、二碲化钨、二碲化钼、二硫化铪、二硒化铪、二硒化锆、二硫化锆、二硒化铼、二硫化铼、二硫化锡及二硒化锡中的至少一种。

具体地，所述原子层级二维材料慢可饱和吸收体异质结薄膜包括所述原子层级二维材料慢可饱和吸收体异质结薄膜包括二硫化钼、二硒化钼、二硒化锆、二硫化锆、二硫化锡、二硒化锡中的至少一种。所述原子层级二维材料快可饱和吸收体异质结薄膜包括石墨烯，二硫化钨、二硒化钨、二碲化钨、二碲化钼、二硫化铪、二硒化铪、二硒化铼、二硫化铼和硒化铟中的至少一种。

本发明第一实施例提供的异质结可饱和吸收镜的各组成结构所用材料简单，成本低廉，可对光进行宽带调制。

本发明第二实施例提供了一种原子层级二维材料异质结可饱和吸收镜的制备方法，包括以下步骤：

S1：将基底及金靶材置于真空室中；

S2：将所述金靶材表面电离化以产生金的等离子体，利用磁控溅射沉积法将所述金的等离子体沉积在所述基底上形成金膜层；通过控制沉积时间及/或沉积温度使所述金膜层达到所需厚度；

S3：将原子层级二维材料转移到所述金膜层上形成原子层级二维材料薄膜，获得异质结可饱和吸收镜。

本发明第二实施例提供的异质结可饱和吸收镜(可饱和吸收体)的制备方法，先将金靶材及基底置于真空室中，采用磁控溅射沉积法将金靶材表面电离后形成等离子体，并使所述等离子体沉积到基底上，形成金膜。在沉积过程中，通过控制沉积时间及/或沉积温度控制沉积的金膜的厚度；将单层(或多层)的二维材料转移到所述的镀有金膜的基底上制备得到“原子层级二维材料异质结及快慢可饱和吸收体级联”可饱和吸收镜。

具体地，所述将二维材料转移到所述金膜层上，主要是使用有机高分子聚合物(如聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA)进行。所述转移的过程如下：1)在蓝宝石/硅基底上使用化学气相沉积法制备所需原子层级的二维材料(包括快吸收体和慢吸收体)；2)在生长有材料的蓝宝石/硅等基底表面覆盖一层合适厚度的PMMA并置入烘干箱内使PMMA固化成膜；3)将表面覆有PMMA薄膜的基底置于合适浓度的NaOH溶液中，使PMMA薄膜与基底脱离(此时原子级的二维材料转移到了PMMA表面)；4)将表面覆有材料的PMMA薄膜置于丙酮溶液中溶解PMMA；5)将原子层的二维材料(包括快吸收体和慢吸收体)转移到目标基底；6)快慢吸收体之间使用原子级六角氮化硼进行隔离。

具体地，所述制备方法还包括

S4：使用六角氮化硼对所述异质结可饱和吸收镜进行封装，获得封装保护层。

具体地，根据特定的结构交替转移，可饱和吸收体使用单层(或多层)的六角氮化硼进行封装。

本发明第二实施例通过不同的二维材料交替结构，制备出可饱和吸收体光学能带带隙可调控的“原子层级二维材料异质结及快慢可饱和吸收体级联”可饱和吸收镜，从而实现对可见光到中红外光的调制。

参见图2，本发明实施例第三提供了一种脉冲光纤激光器，脉冲光纤激光器200包括顺次连接的半导体泵浦激光器1、光学波分复用器2、增益光纤3、光学耦合器4、光隔离器5、光学环形器7及上述所述的异质结可饱和吸收镜8，且光学环形器7与光学波分复用器2连接，形成环形腔结构；其中，光隔离器5用于隔离锁模后的激光，仅允许锁模后的激光在脉冲光纤激光器200内单向输出；

半导体泵浦激光器1产生的泵浦光经光学波分复用器2耦合后进入增益光纤3产生锁模所需要的激光脉冲并对所述激光脉冲进行放大；

光学耦合器4将放大后的所述激光脉冲的一部分输出到腔外而将另一部分输出至光学环形器7，进入光学环形器7的激光脉冲被耦合后进入异质结可饱和吸收镜8进行锁模，锁模后的激光脉冲再经光学环形器7返回至光学波分复用器2，然后经增益光纤3锁模放大后再通过光学耦合器4输出脉冲激光。

本发明第三实施例提供的脉冲光纤激光器200中包括上述所述的异质结可饱和吸收镜，这种“原子层级二维材料异质结及快慢可饱和吸收体级联”可饱和吸收镜的工作原理是，将其作为脉冲光纤激光器200的一个高反射镜，当脉冲光纤激光器200中的激光被该“原子层级二维材料异质结及快慢可饱和吸收体级联”可饱和吸收镜反射时，激光可被“原子层级二维材料异质结及快慢可饱和吸收体级联”可饱和吸收镜调制。具体地，原子层级二维材料快吸收体异质结主要用于实现光纤激光器自启动和脉冲压缩，原子层级二维材料慢吸收体异质结主要用于抑制腔内的噪声，提高光纤激光器腔内的脉冲稳定性。这种“原子层级二维材料异质结及快慢可饱和吸收体级联”可饱和吸收镜具有可靠性高，调制能力强，环境兼容性高，应用范围广，成本低廉，可对光进行宽带调制等优点，同时作为光的反射镜，可用于激光系统中脉冲激光产生的关键器件。

在本发明第三实施例提供的脉冲光纤激光器200中，光学波分复用器2将半导体泵浦激光器1产生的泵浦光耦合进入增益光纤3；增益光纤3产生锁模所需要的激光并对锁模脉冲进行放大；异质结可饱和吸收镜8对所述激光进行锁模，锁模后的激光再经光学环形器7返回至光学波分复用器2，然后经增益光纤3的放大后通过光学耦合器4输出脉冲激光。

具体地，光学环形器7将增益光纤3产生的激光进行耦合后进入所述“原子层级二维材料异质结及快慢可饱和吸收体级联”的异质结可饱和吸收镜8，异质结可饱和吸收镜8对所述激光进行锁模并反射。经过异质结可饱和吸收镜8的反射，锁模后的激光经原光路返回并经过增益光纤3进行放大；经放大后的激光通过所述光学耦合器4输出。

具体地，所述脉冲光纤激光器200还包括偏振控制器6，偏振控制器6连接于光隔离器5与光学环形器7之间；偏振控制器6用于控制所述环形腔内的激光的偏振状态。

参见图3，本发明第四实施例提供了另一种脉冲光纤激光器300，脉冲光纤激光器300包括顺次连接的半导体泵浦激光器11、光学波分复用器12、布拉格光栅13、增益光纤14及上述所述的异质结可饱和吸收镜15；半导体泵浦激光器11产生的泵浦光经光学波分复用器12耦合后进入布拉格光栅13后，再进入增益光纤14产生激光，异质结可饱和吸收镜15对所述激光进行锁模，锁模后的激光沿原路返回，经光学波分复用激光器12输出脉冲激光。

参见图3，本发明第四实施例提供了另一种脉冲光纤激光器300，脉冲光纤激光器300包括顺次连接的半导体泵浦激光器11、光学波分复用器12、布拉格光栅13、增益光纤14及上述所述的异质结可饱和吸收镜15；

半导体泵浦激光器300产生的泵浦光经光学波分复用器12耦合后进入布拉格光栅13，经布拉格光栅13透射后再进入增益光纤14产生激光脉冲，异质结可饱和吸收镜15对所述激光脉冲进行锁模，锁模后的激光脉冲沿原路返回至增益光纤14进行放大，放大后的激光脉冲再通过布拉格光栅13透射后由光学波分复用激光器12输出。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。