CN105896258A - 二维半导体可饱和吸收镜及其制备方法、脉冲光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光器技术领域，提供了一种二维半导体可饱和吸收镜，包括光纤、附在所述光纤端面的二维半导体薄膜及附在所述二维半导体薄膜上的金膜。本发明还提供了所述二维半导体可饱和吸收镜的制备方法，包括以下步骤：将光纤进行切割；将切割后的光纤及二维半导体靶材置于真空室中，将所述二维半导体等离子体沉积在光纤端面上，形成二维半导体薄膜，通过控制沉积时间及/或沉积温度，使所述二维半导体薄膜达到所需厚度；在所得二维半导体薄膜上镀金膜。本发明的这种新型二维半导体可饱和吸收镜由光纤端面、二维半导体薄膜及金膜组成，具有高损伤阈值，而且结构简单、成本低廉，可靠性高。

Description

二维半导体可饱和吸收镜及其制备方法、脉冲光纤激光器

技术领域

本发明属于激光器技术领域，尤其涉及一种二维半导体可饱和吸收镜及其制备方法以及一种脉冲光纤激光器。

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。本领域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。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种二维半导体可饱和吸收镜及其制备方法以及一种脉冲光纤激光器，以解决现有的商用SESAM价格昂贵、制作工艺复杂、可靠性低、工作带宽窄的缺陷。

本发明是这样实现的，一种二维半导体可饱和吸收镜，包括光纤、附在所述光纤端面的二维半导体薄膜、附在所述二维半导体薄膜上的金膜。

本发明还提供了一种所述的二维半导体可饱和吸收镜的制备方法，包括以下步骤：

将光纤进行切割，形成光纤端面；

将切割后的光纤及二维半导体靶材置于真空室中，将二维半导体靶材表面电离化，产生二维半导体等离子体，所述二维半导体等离子体沉积在光纤端面上，形成二维半导体薄膜，通过控制沉积时间及/或沉积温度，使所述二维半导体薄膜达到所需厚度；

在所得二维半导体薄膜上镀金膜。

本发明还提供了一种脉冲光纤激光器，包括半导体泵浦激光器、光学耦合器、谐振腔；所述半导体泵浦激光器产生的泵浦光经所述光学耦合器耦合进入所述谐振腔，所述谐振腔内上述所述的二维半导体可饱和吸收镜，所述二维半导体可饱和吸收镜对进入所述谐振腔内的信号光进行调制，产生脉冲激光。

有益效果：本发明提供的二维半导体可饱和吸收镜由光纤端面、二维半导体薄膜及金膜组成，具有高损伤阈值，在使用时不易损坏；在制备时可以批量制备，且成本低廉，可推广性强；同时因集成在光纤端面上，在使用过程中只需将该器件直接熔接到光纤激光***中即可，使用方便且具有高可靠性高。这些特点使得采用这种二维半导体可饱和吸收镜制备而成的脉冲光纤激光器，具有全光纤化、高可靠性的优点。所述脉冲光纤激光器可以经过脉冲放大装置，适合应用于作为放大器的种子源，而且易于制备成产品，并进行成果转化。

附图说明

图1是本发明实施例提供的二维半导体可饱和吸收镜1的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的二维半导体可饱和吸收镜1的制备方法流程示意图；

图3是本发明实施例提供的脉冲光纤激光器的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的另一种具有自放大功能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。

如图1所示，本发明提供了一种二维半导体可饱和吸收镜10，包括光纤100、附在光纤端面的二维半导体薄膜101及附在二维半导体薄膜101上的高反射膜102。其中，光纤可采用单模光纤、保偏光纤、高增益有源光纤(如掺铒光纤、掺镱光纤、掺铥光纤、掺钬光纤、掺镨光纤、掺铋光纤)、或有源ZBLAN光纤。

二维半导体薄膜101的材料可采用硫化铜、黑磷、硒化镓、碲化镓、硫化镓、硒化锗、二碲化钨、二碲化钼、二硫化铪、二硒化铪、二硒化钴、二碲化钴、二硒化铼、二碲化铼、二硫化锡、二硒化锡、二硫化铌、二硒化铌、二硫化钛、二硒化钛、二硫化钽、二硒化钽、二硫化锆、二碲化锆、硫化铋、硒化铋、碲化铋中的任意一种，或交替生长的任意两种材料构成的异质结超晶格。

高反射膜102采用具有极高反射率的金膜，所述金膜的厚度不低于500nm，优选500-1000nm。高反射膜102相当于一个高反射镜，同时能防止二维半导体薄膜被空气中的氧气氧化以及水蒸气侵蚀，因而起到保护作用。

这种二维半导体可饱和吸收镜10的工作原理是，将其作为激光器的一个提供调制的高反射镜。当谐振腔内的激光被该二维半导体可饱和吸收镜1反射时，激光可被二维半导体可饱和吸收镜10调制，实现调Q或锁模。这种二维半导体可饱和吸收镜10具有高损伤阈值，对光进行宽带调制的同时可作为光的反射镜，可用于激光***中脉冲激光产生的关键器件。

如图2所示，本发明实施例还提供了一种二维半导体可饱和吸收镜的制备方法，包括如下步骤：

S1：对光纤进行垂直切割，得到平整干净的光纤端面；

S2：将切割后的光纤及二维半导体靶材置于真空室中，将二维半导体靶材表面电离化，以产生二维半导体等离子体，所述二维半导体等离子体沉积在光纤端面上，形成二维半导体薄膜；控制沉积时间及/或沉积温度，使所述二维半导体薄膜达到所需厚度。

S3：在所得二维半导体薄膜上镀金膜。

具体地，步骤S1中可通过光纤切割刀进行切割，切割时应注意确保光纤端面平整。

具体地，步骤S2中在所述光纤上镀上二维半导体薄膜的过程具体为：将切割后的光纤和二维半导体靶材置于真空室中的交流靶位中。将光纤及二维半导体靶材置于真空室中时应注意保持光纤端面与二维半导体靶材对准，以确保后续步骤中电离的二维半导体等离子体能够良好地沉积在光纤端面上。将二维半导体靶材表面电离化以产生二维半导体等离子体，并将二维半导体等离子体沉积在光纤端面上，形成过二维半导体薄膜。

具体地，步骤S3中在所得二维半导体薄膜上镀金膜时，将金靶材放置于真空室的直流靶位中。

具体实施时，在步骤S2中可采用磁控溅射法或脉冲射频沉积法将二维半导体靶材表面电离后形成等离子体，并使等离子体沉积到光纤端面上，形成二维半导体薄膜。在沉积过程中，通过控制沉积时间或沉积温度等参数都能控制沉积的二维半导体薄膜厚度；也可选择任意两种材料交替生长，构成异质结超晶格。

本发明提供的二维半导体可饱和吸收镜的制备方法，利用磁控溅射法或脉冲射频沉积法，制备过程简单，可大批量生产。同时在沉积过程中，通过控制沉积的温度、时间等可以控制沉积的二维半导体薄膜的厚度和均匀性，从而可大批量生产，并使制作的二维半导体可饱和吸收镜规格一致；制备出的二维半导体可饱和吸收镜带宽可从可见光拓展到红外光。所制备的二维半导体可饱和吸收镜由光纤端面、二维半导体薄膜及金膜组成，具有高损伤阈值，而且在使用时不易损坏；在制备时可以批量制备，且成本低廉，可推广性强；同时因集成在光纤端面上，在使用过程中只需将该器件直接熔接到光纤激光***中即可，因此使用方便且具有高可靠性高。这些特点使得采用这种二维半导体可饱和吸收镜制备而成的脉冲光纤激光器，具有全光纤化、高可靠性的优点，所研制的脉冲光纤激光器可以经过脉冲放大装置，适合应用于作为放大器的种子源。易于制备成产品，并进行成果转化。

如图3所示，本发明实施例提供了一种脉冲光纤激光器，为线性腔结构，其结构包括半导体泵浦激光器1、光学耦合组件2、谐振腔。其中，谐振腔包括高增益有源光纤3、光纤光栅4、由上述方法制备的二维半导体可饱和吸收镜5以及光隔离器6。其中光学耦合组件2可采用波分复用器。

这种脉冲光纤激光器的原理是，半导体泵浦激光器1产生的泵浦光经光学耦合组件2耦合进入谐振腔，并为有源光纤3提供增益，经过谐振腔的振荡进而产生激光。二维半导体可饱和吸收镜5对激光调制，进而产生激光脉冲。具体地，可饱和吸收镜5可通过二维半导体薄膜101或102给谐振腔提供可饱和吸收调制，实现脉冲激光的自启动。脉冲激光经光学耦合器2和光隔离器6输出。

具体地，光纤光栅5可为布拉格光纤光栅、或啁啾光纤光栅，所述光纤光栅对泵浦光具有高透过率，但对激光具有一定反射率，所述反射率的取值范围为10-99％。所述光纤光栅相当于一个光纤型的反射镜，能够对光提供反馈，光纤光栅与可饱和吸收镜构成了激光器的谐振腔。有源光纤是激光器的增益介质。

如图4所示，本发明还提供了另一种具有自放大功能的脉冲光纤激光器，包括：半导体泵浦激光器1、光学耦合组件2、谐振腔、放大器7。该谐振腔为线性腔结构，包括高增益有源光纤3、如上所述的二维半导体可饱和吸收镜4、光纤光栅5。所述放大器7的组件为高增益有源光纤。具体地，光纤光栅5可为布拉格光纤光栅、或啁啾光纤光栅，所述光纤光栅对泵浦光具有高透过率，但对激光具有一定反射率(取值范围为10％到99％)，光纤光栅5直接写制在高增益有源光纤3上，其一侧是作为谐振腔内的高增益有源光纤3，另一侧是放大器的高增益有源光纤7。光隔离器6能防止脉冲激光的反馈。

所述的脉冲光纤激光器具有全光纤化、高可靠性等优点，既适于成果转化，又具有广泛的应用前景。

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。

Claims (10)

1.一种二维半导体可饱和吸收镜，其特征在于，包括光纤、附在所述光纤端面的二维半导体薄膜及附在所述二维半导体薄膜上的金膜。

2.如权利要求1所述的二维半导体可饱和吸收镜，其特征在于，所述光纤为单模光纤、保偏光纤、高增益有源光纤或有源ZBLAN光纤。

3.如权利要求1所述的二维半导体可饱和吸收镜，其特征在于，所述二维半导体薄膜的材料为：硫化铜、硒化镓、碲化镓、硫化镓、硒化锗、二碲化钨、二碲化钼、二硫化铪、二硒化铪、二硒化钴、二碲化钴、二硒化铼、二碲化铼、二硫化锡、二硒化锡、二硫化铌、二硒化铌、二中的硫化钛、二硒化钛、二硫化钽、二硒化钽、二硫化锆、二碲化锆、硫化铋、硒化铋、碲化铋中的任意一种或两种。

4.如权利要求3所述的二维半导体可饱和吸收镜，其特征在于，所述任意两种材料构成的二维半导体薄膜为两种材料交替生长构成的异质结超晶格。

5.如权利要求1所述的二维半导体可饱和吸收镜，其特征在于，所述金膜的厚度为500-1000nm。

6.如权利要求1所述的二维半导体可饱和吸收镜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将光纤进行切割；

将切割后的光纤及二维半导体靶材置于真空室中，将二维半导体靶材表面电离化以产生二维半导体等离子体，使得所述二维半导体等离子体沉积在光纤裸露出的端面上，形成二维半导体薄膜，通过控制沉积时间及/或沉积温度，使所述二维半导体薄膜达到所需厚度；

在所得二维半导体薄膜上镀金膜。

7.一种脉冲光纤激光器，其特征在于，包括半导体泵浦激光器、光学耦合器、谐振腔；所述半导体泵浦激光器产生的泵浦光经所述光学耦合器耦合进入所述谐振腔，所述谐振腔内包括权利要求1～5中任意一项所述的二维半导体可饱和吸收镜，所述二维半导体可饱和吸收镜对进入所述谐振腔内的信号光进行调制，产生脉冲激光。

8.如权利要求7所述的脉冲光纤激光器，其特征在于，所述谐振腔内还包括有源光纤、光纤光栅；所述泵浦光经所述光学耦合器耦合进入所述谐振腔，为所述有源光纤提供增益，使所述谐振腔产生激光；所述激光经所述二维半导体可饱和吸收镜调制，在所述谐振腔内谐振并产生脉冲激光。

9.如权利要求8所述的脉冲光纤激光器，其特征在于，所述脉冲光纤激光器还包括放大器和光隔离器；所述产生的脉冲激光再进入放大器被放大，经所述光学耦合器、光隔离器输出激光脉冲。

10.如权利要求8所述的脉冲光纤激光器，其特征在于，所述光纤光栅为布拉格光纤光栅或啁啾光纤光栅。