CN102545022A - 一种宽波段石墨烯可饱和吸收镜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽波段石墨烯可饱和吸收镜，其构成从下至上依次包括：光学衬底、镀金反射膜以及在该镀金反射膜上的石墨烯层。本发明不仅制备方法简单、成本低廉、而且克服了SESAM带宽有限以及不同波段不可兼用的缺点，在1μm和2μm波段锁模激光器上成功实现了锁模激光脉冲输出，适用于从近红外到中远红外波段的锁模和调Q激光器，大大提高了可饱和吸收镜的波长适用范围，为不同光谱区超短脉冲的产生及应用提供了有力的支持。

Description

一种宽波段石墨烯可饱和吸收镜
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，特别涉及一种用于锁模激光器或调Q激光器的宽波段石墨烯可饱和吸收镜。
背景技术
从上世纪90年代初半导体可饱和吸收镜（SESAM）首次在锁模激光器中应用以来，由于其性能稳定、使用寿命长、无污染等优点迅速取代了应用将近三十年之久的染料，成为锁模激光器中主要的可饱和吸收器件，并极大地促进了超快激光技术的发展。目前可用的SESAM基本局限在近红外波段，且带宽有限，这就使锁模激光脉冲的波长覆盖范围和波长可调性受到严重限制。尤其对于中、远红外波段，目前没有可用的SESAM,使得在这些波段难于产生稳定的超短锁模脉冲。而石墨烯的出现为解决这些问题提供了可能。石墨烯由单层或者几层的碳原子组成，是零带隙材料，在整个光波段有平缓的吸收带，可以在超宽的波长范围工作。同时，由于电子泡利不相容原理使石墨烯具有超宽带可饱和吸收的性质。另外，石墨烯具有低的饱和能流和超快的吸收恢复时间。石墨烯的这些性质表明，它是一种非常有潜力的超宽带可饱和吸收材料，理论上适用于从近红外到中远红外波段内任意波长的锁模和调Q激光器，为不同光谱区超短脉冲的产生及应用提供了有力的支持，具有巨大的应用前景。然而，如何将石墨烯层制备成可用的石墨烯可饱和吸收镜，同时保留其超宽带可饱和吸收的特性，成为了必须解决的关键技术问题。目前，常用的方式是将石墨烯层转移到反射式介质膜镜片上或者转移到透射式光学镜片上，前者由于介质反射膜带宽有限限制了石墨烯的超宽带可饱和吸收特性，后者由于透射式镜片在激光腔内的F-P效应限制了透射带宽也限制了石墨烯的超宽带特性，因此造成实际的石墨烯可饱和吸收镜频率带宽受限，不能完全发挥石墨烯超宽带可饱和吸收的优势。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种宽波段石墨烯可饱和吸收镜，由作为可饱和吸收体的石墨烯以及金膜反射镜基底构成，利用石墨烯本征的超宽带可饱和吸收特性结合金膜反射镜在近红外到中远红外超宽光谱范围内高反射率的特点，实现了锁模激光脉冲输出。
本发明的技术解决方案如下：
一种宽波段石墨烯可饱和吸收镜，特点在于其构成从下至上依次包括：光学衬底、镀金反射膜以及在该镀金反射膜上的石墨烯层。
所述的光学衬底是由玻璃、石英、氟化钙、硒化锌或碳化硅材料制成。
所述的石墨烯层为CVD方法生长的大面积石墨烯层。
所述的石墨烯层的层数为单层或多层。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）宽波段石墨烯可饱和吸收镜具有超宽的频率带宽，为极短（几个光周期)锁模脉冲的产生提供了条件。
（2）宽波段石墨烯可饱和吸收镜在近、中红外波段具有可饱和吸收特性，可同时满足近中红外不同波段激光器对可饱和吸收镜的需求，特别是弥补了目前在中红外波段没有可靠的SESAM锁模元件的缺陷。
（3）通过选择石墨烯的层数来改变可饱和吸收镜的调制深度，从而适用于不同要求的超短脉冲激光***。
（4）制作相对简单，成本低廉，而且石墨烯相对SESAM较低的饱和能流使得在相同条件下激光器更容易实现稳定的连续锁模。
附图说明
图1是本发明宽波段石墨烯可饱和吸收镜的结构示意图。
图2是本发明宽波段石墨烯可饱和吸收镜在锁模激光器中的使用状态图。
图3是本发明宽波段石墨烯可饱和吸收镜在调Q激光器中的使用状态图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
请先参阅图1，图1是本发明一种宽波段石墨烯可饱和吸收镜的结构示意图。如图所示，一种宽波段石墨烯可饱和吸收镜9，从下至上依次包括光学衬底1、镀金反射膜2以及在该镀金反射膜2上的石墨烯层3构成。
光学衬底1是由玻璃、石英、氟化钙、硒化锌或碳化硅材料制成，表面具有良好的光学质量。通过在光学衬底1上蒸镀一层镀金反射膜2实现对近红外到中远红外宽光谱范围内不同波长激光的高反射率，然后将石墨烯层3转移到镀金膜反射膜2上。利用石墨烯的宽带饱和吸收特性结合金膜反射膜2在宽光谱范围高反射率的特点制成宽波段石墨烯可饱和吸收镜，克服了目前转移到介质膜反射镜上的石墨烯可饱和吸收体带宽有限以及转移到透射式镜片上的石墨烯可饱和吸收体在激光腔内的F-P效应等问题，适用于从近红外到中红外任意波长的锁模或调Q激光器。石墨烯层3的层数可以根据实际需要的调制深度进行选择，可以是单层，也可以是多层。 
图2是本发明宽波段石墨烯可饱和吸收镜在锁模激光器中的使用状态图。由图可知，泵浦***4发出的泵浦光经过准直聚焦后，通过输入镜5入射到激光介质6内。激光谐振腔由输入镜5、其他光学镜片7、8、11以及宽波段石墨烯可饱和吸收镜（Graphene SAM）9和棱镜对10构成。
宽波段石墨烯可饱和吸收镜9在本激光器中一方面起到启动和稳定锁模的作用，另一方面作为锁模激光器的一个端镜与激光器中的光学镜片一起构成激光锁模谐振腔。通过外置充气装置不断向宽波段石墨烯可饱和吸收镜9通惰性气体隔离空气中的氧气以及散热，也可以预先在石墨烯层上镀保护膜，防止石墨烯层氧化。当低功率激光通过宽波段石墨烯可饱和吸收镜9时，吸收损耗大；当高功率激光通过宽波段石墨烯可饱和吸收镜9时，吸收损耗小。因此通过宽波段石墨烯可饱和吸收镜9选择让激光器工作在锁模模式（高峰值功率模式），而非连续光工作模式（低功率模式），最终在激光谐振腔内形成超短锁模脉冲并通过输出耦合镜11输出。应用时该宽波段石墨烯可饱和吸收镜可以用惰性气体防护石墨烯层，也可以在石墨烯层上镀保护膜层进行防护。
图3是本发明宽波段石墨烯可饱和吸收镜在调Q激光器中的使用状态图。由图可知，泵浦***4发出的泵浦光经过准直聚焦后，通过输入镜5入射到激光介质13内。激光谐振腔由输入镜5、其他光学镜片14以及宽波段石墨烯可饱和吸收镜9构成。激光介质13面向泵浦***4的一面镀对于泵浦波长和激光波长同时高透的增透膜，激光介质13面向石墨烯可饱和吸收镜9的一面镀膜一方面对泵浦波长高反，以防止泵浦光通过激光介质13后入射到石墨烯可饱和吸收镜9上造成石墨烯饱和，同时对于激光波长高透，保证激光经过激光介质13损耗最小，通过石墨烯可饱和吸收镜9的可饱和吸收作用，实现激光调Q脉冲输出。
实验表明，本发明在1μm 和2μm波段激光器上实现锁模激光脉冲输出，适用于从近红外到中远红外波段的锁模和调Q激光器，大大提高了可饱和吸收镜的波长适用范围，为不同光谱区超短脉冲的产生及应用提供了有力的支持，且制备简单廉价，具有广泛的应用前景。

Claims (4)

1.一种宽波段石墨烯可饱和吸收镜，特征在于其构成从下至上依次包括：光学衬底（1）、镀金反射膜（2）以及在该镀金反射膜（2）上的石墨烯层（3）。
2.根据权利要求1所述的宽波段石墨烯可饱和吸收镜，其特征在于所述的光学衬底（1）是由玻璃、石英、氟化钙、硒化锌或碳化硅材料制成。
3.根据权利要求1所述的宽波段石墨烯可饱和吸收镜，其特征在于所述的石墨烯层（3）为CVD方法生长的大面积石墨烯层。
4.根据权利要求3所述的宽波段石墨烯可饱和吸收镜，其特征在于所述的石墨烯层（3）的层数为单层或多层。
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