一种二维材料异质结可饱和吸收镜及其制备方法与流程

本发明属于激光技术领域，尤其涉及一种二维材料异质结可饱和吸收镜及其制备方法。

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。一般来说，商用SESAM具体特定的可饱和吸收特性，其调制深度，可饱和吸收带宽，饱和光强具有固定的工作值，无法通过外部变量对这些参数进行调节，这也限制了SESAM在不同工作波长的应用。

因此，研制出成本低廉、工艺简单、高性能，可饱和吸收特性可调谐的可饱和吸收体一直是超快激光物理领域追求的目标，而现有技术中尚无此相关技术的报道。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种二维材料异质结可饱和吸收镜及其制备方法、脉冲光纤激光器，旨在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，一种二维材料异质结可饱和吸收镜，包括刻蚀有电极的基底、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p-n结薄膜；

所述二维材料异质结可饱和吸收镜还包括可调直流电源，所述可调直流电源与所述电极连接。

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p-n结薄膜由不同能带带隙的原子层级二维p型和n型半导体材料叠加而成。

进一步地，所述p型半导体材料和n型半导体材料包括硒化铟，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、二硫化锡和二硒化锡。

进一步地，所述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p-n结薄膜上。

本发明还提供了一种二维材料异质结可饱和吸收镜的制备方法，包括以下步骤：

在基底上刻蚀两个对称的电极，然后将所述基底及金靶材置于真空室中；

将所述金靶材表面电离化，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，通过控制沉积时间使所述金膜层达到所需厚度；

将所述基底的所述电极的位置上的金膜溶解，制备得到刻有电极的金膜层；

将不同能带带隙的原子层级二维p型和n型半导体材料转移到所述刻有电极的金膜层上形成原子层级二维材料p-n结薄膜，获得二维材料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二维材料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二维材料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，偏振控制器用于控制所述脉冲光纤激光器内的激光的偏振状态。

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二维材料异质结可饱和吸收镜，其中的原子层级二维材料p-n结薄膜由p型二维原子层的材料和n型二维原子层的材料叠加而成。形成的二维材料异质结可饱和吸收镜(可饱和吸收体)可作为脉冲光纤激光器的一个高反射镜，当脉冲光纤激光器腔内的激光被该二维材料异质结可饱和吸收镜反射时，激光可被其调制。原子层级二维p-n型半导体薄膜材料主要用于实现脉冲光纤激光器自启动、脉冲压缩和抑制腔内的噪声，从而提高脉冲光纤激光器腔内的脉冲稳定性。通过可调直流电源将不同幅值的外部直流偏置电压施加于这种二维材料异质结可饱和吸收镜的对称电极，改变外置直流偏置电压幅值的大小，从而主动优化所述二维材料异质结可饱和吸收镜的非线性光学特性，进一步优化所述脉冲光纤激光器的激光特性。

本发明实施例提供的二维材料异质结可饱和吸收镜的制备方法，只需根据所述二维材料异质结可饱和吸收镜的结构特点进行分步操作即可，制备过程简单。所用到的p型二维原子层的材料和n型二维原子层的材料成本低廉，且由此获得的二维材料异质结可饱和吸收镜，性能优异。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的二维材料异质结可饱和吸收镜的结构示意图；其中图1a是俯视图，图1b是立体图；

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。

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。

本发明第一实施例提供了一种二维材料异质结可饱和吸收镜100，包括刻蚀电极102的基底101、覆盖在基底101上的金膜层103及覆盖在金膜层103上的原子层级二维材料p-n结薄膜104；

二维材料异质结可饱和吸收镜100还包括可调直流电源106，可调直流电源106与电极102连接。

本发明第一实施例提供的二维材料异质结可饱和吸收镜包括原子层级二维材料p-n结薄膜，所述二维材料异质结可饱和吸收镜可作为脉冲光纤激光器的一个高反射镜，当脉冲光纤激光器腔内的激光被该二维材料异质结可饱和吸收镜反射时，激光可被其调制。基于二维材料异质结可饱和吸收镜具有非线性可饱和吸收特性和超快的载流子弛豫能力，在激光器腔内加入二维材料异质结可饱和吸收镜，通过增大泵浦功率到达脉冲激光启动阈值，可以实现超短脉冲的产生。另外，得益于上述吸收镜对输入脉冲的反射率随着脉冲能量的增大而增大的特性(即可饱和吸收特性)，上述吸收镜可以对激光腔内传输脉冲的脉冲宽度进行压缩并同时抑制腔内噪声的产生，从而提高脉冲光纤激光器腔内的脉冲稳定性。通过可调直流电源将不同幅值的外部直流偏置电压施加于这种二维材料异质结可饱和吸收镜的对称电极，改变外置直流偏置电压幅值的大小，从而主动优化所述二维材料异质结可饱和吸收镜的非线性光学特性，进一步优化所述脉冲光纤激光器的激光特性。

本发明第一实施例提供的二维材料异质结可饱和吸收镜，可靠性高，可饱和吸收体光学带隙可调谐，环境兼容性高，应用范围广，所用的各材料成本低廉，既适于成果转化，又具有广泛的应用前景。

具体地，所述基底为硅或碳化硅。所述金膜层的厚度为30-300nm。

具体地，所述原子层级二维材料p-n结薄膜由不同能带带隙的原子层级二维p型和n型半导体材料叠加形成。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，所述原子层级二维p型和n型二维半导体薄膜材料具有不同的带内弛豫时间、载流子浓度和迁移率，p型二维半导体薄膜提供空穴，n型二维半导体薄膜提供电子。在所述电极外加不同幅值的偏置电压，可实现对二维材料p-n结区可饱和吸收材料光学能带带隙的主动调控及对所述结区载流子浓度的调制，进而调控二维材料异质结可饱和吸收镜的非线性光学特定，包括调制深度，可饱和吸收带宽和饱和光强等。

具体地，所述原子层级二维材料p-n结薄膜的成分包括六角氮化硼、过渡金属硫化物和硒化铟。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、二硫化锡和二硒化锡中的至少一种。

具体地，根据实际的需求，可以用于制备原子层二维材料p-n结薄膜的p型半导体材料和n型半导体材料包括硒化铟，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、二硫化锡和二硒化锡。

具体地，所述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p-n结薄膜上。

本发明第二实施例提供了上述所述的二维材料异质结可饱和吸收镜的制备方法，包括以下步骤：

使用飞秒激光在基底上刻蚀两个对称的电极，然后将所述基底及金靶材置于真空室中；

将所述金靶材表面电离化，产生金的等离子体，利用化学气相沉积法或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，通过控制沉积时间使所述金膜层达到所需厚度；

将所述基底的所述电极的位置上的金膜溶解，制备得到刻有电极的金膜层；

将不同能带带隙的原子层级二维p型和n型半导体材料转移到所述刻有电极的金膜层上形成原子层级二维材料p-n结薄膜，获得二维材料异质结可饱和吸收镜。

具体地，所述制备方法还包括

使用六角氮化硼对所述二维材料异质结可饱和吸收镜进行封装，获得封装封装保护层。

具体地，将不同能带带隙的原子层级二维p型和n型半导体材料转移到所述金镜上，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p型材料和n型材料)；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p型材料和n型材料)转移到目标基底。

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。

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；光学耦合器4将部分激光输出到腔外；光隔离器5将隔离反向传输的激光，仅允许锁模激光在激光器腔内单向传输；光学环形器7将增益光纤3产生的激光耦合进入二维材料异质结可饱和吸收镜8进行锁模；二维材料异质结可饱和吸收镜8中的可调直流电压源用于对二维材料异质结可饱和吸收镜8中的电极施加不同幅值的外置偏置电压，通过改变外置偏压幅值的大小，实现主动调制可饱和吸收镜的非线性光学特性，进一步优化锁模光纤激光器的激光特性。经过所述可饱和吸收镜的反射，锁模后的激光再经光学环形器7返回至所光学波分复用器2，然后经增益光纤3进行放大后通过光学耦合器4输出脉冲激光。这种二维材料异质结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。

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用于控制所述激光器环形腔内的激光的偏振状态。

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。