基于二硒化钛量子点可饱和吸收体器件及制备方法和掺铒光纤激光装置

本技术属于光纤激光器，尤其涉及基于二硒化钛量子点可饱和吸收体器件及制备方法和掺铒光纤激光装置。

背景技术：

1、随着国防军事、工业制造、医疗器械、光纤通信以及半导体等行业的快速发展，对激光器的脉冲宽度、工作时长和稳定输出提出更高要求。

2、与固体激光器和气体激光器相比，光纤激光器体积小巧轻便、可维护性更佳、成本更加低廉、可在更复杂的环境下运行；光纤激光器低启动阈值、高转换效率和光束品质强等优点更适合需要高技术要求的场合；光纤激光器可以使用种类繁多的掺杂稀土元素的玻璃光纤作为增益介质，使得激光输出具有可调谐波长的特性，满足更多样的应用场景；光纤激光器输出脉冲激光的主要技术有调q和锁模(modelocking)两种，锁模则可以获得高峰值功率的超窄脉冲输出，其输出特性满足激光光谱、光学计量、材料加工和激光手术等领域。锁模技术分为需要声光、电光等调制器的主动锁模和采用非线性光学器件的被动锁模，锁模光纤激光装置只需在激光腔中加入可饱和吸收体(sa)作为无源器件，极大地简化了光纤激光器结构。

3、目前被报道作为sa器件的材料以石墨烯、黑磷、拓扑绝缘体、外尔半金属和过渡金属硫化物(tmds)等二维材料为主，这些二维材料普遍表现出独特的光电性能和优异的饱和吸收特性，成为目前非线性光学领域研究最多的二维材料，被广泛应用于光纤激光器中，二维材料的饱和吸收特性对其尺寸和厚度具有比较强的依赖性，譬如大部分过渡金属硫化物的能量带隙都会随着材料厚度的变化而变化，多层wse2显示出1.2ev的间接带隙，单层时变为1.65ev的直接带隙，半导体材料如mos2和ws2在其纳米片尺寸超过100nm时以饱和吸收特性占主导，而当纳米片尺寸小于50nm时则表现出强烈的反饱和吸收现象，半金属tmds材料如nbse2无论尺寸如何变化均表现出明显的非线性饱和吸收效应。少层二硒化钛材料同样作为典型的半金属tmds，已被证实具有非线性饱和吸收特性，并在宽波段范围实现了优异的锁模和调q性能。然而光纤激光器中往往激光的峰值功率和重复频率极高，当高能光束不断穿透材料时会产生强烈的热积累效应，在微观上会引起辐照区域材料的晶化、分相和基团重组，宏观上表现为激光器无法在高泵浦功率下长时间运行。

4、与目前被报道的二维可饱和吸收体(sa)相比，量子点在三个维度都接近于电子的德布罗意波波长，载流子在三个空间方向上的运动受到强烈限制；与纳米片的存在形式相比，由于量子限域效应和尺寸效应，基于tmds的量子点提供了强大的非线性光学特性，为发展高性能的光学元器件提供了新平台，具有提高光纤激光装置性能的潜力。

技术实现思路

1、有鉴于此，本技术提供了基于二硒化钛量子点可饱和吸收体器件及制备方法和掺铒光纤激光装置，用于解决现有技术中基于二维材料可饱和吸收体器件的光纤激光装置性能较低的技术问题。

2、本技术第一方面提供了一种基于二硒化钛量子点可饱和吸收体器件，包括锥形光纤和二硒化钛量子点；

3、所述锥形光纤负载所述二硒化钛量子点。

4、优选的，所述锥形光纤的锥形区的长度为9mm，锥形区的最小直径为12μm。

5、需要说明的是，锥形光纤可以通过正向熔融拉锥系统制备。

6、优选的，本技术第二方面提供了一种基于二硒化钛量子点可饱和吸收体器件的制备方法，通过与聚乙烯醇溶液混合干燥成膜后制备上述二硒化钛量子点可饱和吸收体器件，制备方法包括步骤：

7、步骤s11、将二硒化钛量子点分散液和聚乙烯醇的水溶液混合后干燥，得到二硒化钛聚乙烯醇薄膜。

8、步骤s12、将二硒化钛聚乙烯醇薄膜插入锥形光纤的法兰结合处，得到基于二硒化钛量子点可饱和吸收体器件。

9、步骤s11中，所述聚乙烯醇浓度在4～9wt％；

10、所述二硒化钛量子点分散液和聚乙烯醇的水溶液的体积比为1:1。

11、需要说明的是，通过控制二硒化钛量子点分散液和聚乙烯醇的水溶液的配比，保证了二硒化钛量子点分散液与聚乙烯醇溶液混合时，聚乙烯醇不发生缩醛反应导致出现絮状物影响薄膜品质。

12、优选的，步骤s11中，所述干燥的温度为40～60℃，时间为2～6h。

13、需要说明的是，温度过高或干燥时间过长会致使pva薄膜破裂，温度过低或干燥时长不足则会导致乙醇或水并未蒸发完全，影响薄膜品质。

14、优选的，本技术第三方面提供了另一种基于二硒化钛量子点可饱和吸收体器件的制备方法，通过直接沉积制备上述二硒化钛量子点可饱和吸收体器件，制备方法包括步骤：

15、步骤s21、将锥形光纤置于恒温加热台预热，得到预热的锥形光纤；

16、步骤s22、将二硒化钛量子点分散液直接滴在锥形光纤的锥形区，在锥形光纤的另一端通入1550nm的连续波激光，在倏逝场的光梯度力作用下二硒化钛量子点包围锥形光纤的锥形区，得到基于二硒化钛量子点可饱和吸收体器件。

17、需要说明的是，为确保沉积效果，应滴入远多于满足锥区沉积要求的分散液，从功率计中监测到光功率随着沉积过程不断进行而降低，过量滴入分散液后经短暂等待，发现光功率基本保持不变，表明拉锥光纤已沉积足够的二硒化钛量子点材料，不宜再滴入分散液，因此滴入操作需要根据分散液中量子点浓度，调整0.2～2ml之间合适的分散液体积进行。

18、优选的，步骤s21中，所述恒温加热台的加热温度为60℃。

19、优选的，步骤s22中，所述连续波激光的功率为10～30mw。

20、需要说明的是，恒温加热台的加热温度的设置有利于挥发溶剂，拉锥光纤沉积过程中入射光光功率会对最终沉积效果产生一定影响，当输入功率在10mw以下时，输出功率基本不变表明沉积未进行；光沉积功率越大则材料沉积量越多，可饱和吸收体的调制深度也越大；当入射光功率超过30mw左右时，可能由于功率过大导致材料沉积过多超出拉锥光纤承受阈值，透光率极具降低，出射光功率陡降至以纳瓦计。因此沉积操作需要根据分散液中量子点浓度，调整10～30mw之间合适的连续波激光功率进行。

21、优选的，步骤s11和步骤s21中，所述二硒化钛量子点分散液的制备方法包括步骤：

22、步骤s31：将粉状的二硒化钛和无水乙醇混合，进行超声分散，得到悬浮液；

23、步骤s32：将所述悬浮液进行高速离心处理，得到所述二硒化钛量子点。

24、需要说明的是，本发明采用的液相剥离法，操作简单、产量大、能耗低，适合大规模制备。

25、优选的，步骤s31中，所述超声温度为30℃，超声的频率为20～40khz，功率为300～400w。

26、需要说明的是，超声温度的设置一是可以避免可能因温度过高造成材料的氧化等问题，二是可以避免温度过高致使得无水乙醇溶剂蒸发，而超声的频率和功率的设置有利于使得二硒化钛量子点被震荡打碎为直径10nm以内的量子点；避免不能破坏二硒化钛的层与层之间的范德华力连接，导致二硒化钛材料堆叠呈现纳米体块形态的情况发生。

27、本技术第四方面提供一种掺铒光纤激光装置，包括单模光纤连接泵浦源、波分复用器、掺杂增益光纤、偏振无关隔离器、二硒化钛量子点可饱和吸收体器件、偏振控制器以及输出耦合器；

28、所述泵浦光源的输出端与波分复用器的输入端相连；

29、所述波分复用器的输出端与所述掺铒增益光纤的输入端相连，掺铒光纤的输出端与偏振无关隔离器的输入端相连；

30、所述偏振无关隔离器的输出端与二硒化钛量子点可饱和吸收体器件的输入端相连，可饱和吸收体器件的输出端连接偏振控制器的输入端；

31、所述偏振控制器的输出端与输出耦合器的输入端相连，输出耦合器的输出端与波分复用器的输出端相连，构成环形激光谐振腔。

32、优选的，所述掺铒增益光纤的长度为40cm，所述泵浦源的中心波长为980nm，所述波分复用器的工作波长为输入端980/输出端1550nm。

33、综上所述，本技术提供了基于二硒化钛量子点可饱和吸收体器件及制备方法和掺铒光纤激光装置，基于二硒化钛量子点可饱和吸收体器件包括锥形光纤和二硒化钛量子点，锥形光纤负载所述二硒化钛量子点后，得益于量子点通过其粒径控制为可调带隙提供了很高的设计灵活性，并且由于量子点具有更高的表面积体积比，更强的量子约束以及边缘效应，其光电特性、饱和吸收特性和光化学稳定性可以比其二维层状材料更好，从而可以连续长时间输出强度均匀、间隔一致的飞秒级超短脉冲序列，体现在锁模输出脉冲序列强度均匀、间隔一致，在280mw高泵浦功率下长时间稳定输出飞秒级超短脉宽激光，输出功率与输出光谱在10小时的连续工作场景下并无较大波动，从而解决了现有技术中基于二维材料可饱和吸收体器件的光纤激光装置性能较低的技术问题。