CN108054631B - 基于钙钛矿材料的可饱和吸收体器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于钙钛矿材料的可饱和吸收体器件，包括基底层，以及封装在所述基底层表面的可饱和吸收层；所述可饱和吸收层为钙钛矿材料；用于封装所述可饱和吸收层的材料为光学透明的聚合物材料。基底层可以为反射层或透射层。本发明使用钙钛矿材料作为器件的可饱和吸收层，实现激光器的调Q和锁模，具有很大的光调制深度，易于锁模自启动。且适用于不同的基底层，可实现反射式和透射式两种工作方式，满足不同类型的激光器的实际使用需求，有利于产生高性能的超快脉冲。

Description

基于钙钛矿材料的可饱和吸收体器件及其制备方法
技术领域
本发明属于脉冲激光器的可饱和吸收体领域，尤其涉及一种基于钙钛矿材料的可饱和吸收体器件及其制备方法。
背景技术
采用锁模或调Q技术的脉冲激光器，具有峰值功率高，脉冲宽度窄的特点，在工业微加工、医疗、超快过程科学研究和光通讯等领域都有及其重要的应用。为了实现激光器的锁模和调Q脉冲输出，目前最常见的方式是在激光腔内***可饱和吸收器件，实现被动锁模和调Q。由于这种方法不需要外加电场或光场调制，因而更加方便高效，且输出性能优越。目前市场上主要使用的激光器锁模器件基于半导体可饱和吸收镜(SESAM)。但是，半导体可饱和吸收镜存在很多很难克服的缺点。首先，SESAM需要复杂且昂贵的基于洁净室的制造***，制造工艺复杂，成本高；其次，由于Ⅲ-Ⅳ族半导体的固有带隙，饱和吸收光谱范围狭窄；第三，SESAM的光损伤阈值也很低，很难应用在高功率激光领域中。
近年来，单壁碳纳米管(SWCNT)和以石墨烯为代表的二维层状材料是受到该领域关注较多的两类替代SESAM的新型可饱和吸收体材料。然而，SWCNT在制作成为饱和吸收体的过程中，容易团簇，不易分散的特点一直很难得到解决，而且其不均匀的手型性质对于可饱和吸收体的性质的精确控制存在固有问题，限制了饱和吸收的带宽。石墨烯可饱和吸收体具有零带隙的能带结构，拥有宽波段饱和吸收的特性，但是单层较低的光吸收一直没法得到解决，较难应用到激光器当中。而多层石墨烯的高质量生长工艺难度大，制备过程中往往会出现膜层分布不均匀，导致非饱和损耗增大，锁模阈值过高的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于钙钛矿材料的可饱和吸收体器件及其制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于钙钛矿材料的可饱和吸收体器件，其特征在于，包括基底层，以及封装在所述基底层表面的可饱和吸收层；所述可饱和吸收层为钙钛矿材料；用于封装所述可饱和吸收层的材料为光学透明的聚合物材料。
进一步地，基底层为反射层或透射层。
进一步地，所述反射层为镀有反射膜的硅片或者二氧化硅片，所述透射层为聚合物透明薄膜。
进一步地，光学透明的聚合物材料选自聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯醇(PVA)。
进一步地，所述钙钛矿材料为有机-无机杂化钙钛矿材料、纯无机钙钛矿、钙钛矿衍生物或官能化钙钛矿材料。
一种可饱和吸收器件的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备PDMS聚合物膜，作为转移层；
(2)将钙钛矿纳米片直接生长在转移层上，或者将钙钛矿纳米片旋涂在转移层上，并在30-50℃下加热10-30分钟，在转移层表面得到可饱和吸收层；
(3)将转移层贴附于基底层上，使其表面的可饱和吸收层粘附在基底层上；
(4)在50-60℃下加热30分钟以上，PDMS转移层失去黏性，与可饱和吸收层分离脱落；
(5)在上述可饱和吸收层上旋涂一层PMMA或者PVA聚合物层，作为透明保护层。
本发明的有益效果在于：本发明使用钙钛矿材料作为器件的可饱和吸收层，实现激光器的调Q和锁模，具有很大的光调制深度，易于锁模自启动。且适用于不同的基底层，可实现反射式和透射式两种工作方式，满足不同类型的激光器的实际使用需求，有利于产生高性能的超快脉冲。
附图说明
图1为本发明钙钛矿材料的可饱和吸收体器件的结构示意图；
图2-图6为可饱和吸收体器件的制作流程图；
图7为钙钛矿可饱和吸收器件以反射形式添加到激光谐振腔中的示意图；
图8所示是钙钛矿可饱和吸收器件以透射形式添加到激光谐振腔中的示意图；
图中，基底层1、可饱和吸收层2、透明保护层3、转移层4、模具台5、聚四氟乙烯模具6、饱和吸收器件7、光纤尾纤8、光纤末端小面9、光纤10，波分复用器11、单模光纤12、耦合器13、隔离器14、偏振控制器15、高反射银膜16、泵浦光源17、光纤尾纤18、光纤头19。
具体实施方式
钙钛矿材料在可见光和近红外波段具有很高的光吸收度，在光能量大于禁带带隙波段具有极大的光学非线性系数，本发明创造性地将钙钛矿材料作为可饱和吸收器件的可饱和吸收层，如图1所示，该可饱和吸收器件具有很大的光调制深度，易于锁模自启动，实现激光器的调Q和锁模。此外，钙钛矿具有很高的缺陷容忍度，对材料生长的工艺要求不苛刻，使得这种材料易于获得实用化应用。
针对钙钛矿材料在水和空气中易于变性的缺点，本发明采用全干法转移技术，使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)转移介质，转移全程在手套箱中进行，不和水接触，保证器件的有效制备。并且，本发明使用光学透明的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯醇(PVA)等聚合物材料，作为器件保护层，对钙钛矿可饱和吸收层进行保护和封装。同时，这些材料也增强了器件的力学强度和柔韧性，提高了可饱和吸收器件的工作寿命。
本发明适用于不同的基底层1，具有反射式和透射式两种工作方式，满足不同类型的激光器的实际使用需求，有利于产生高性能的超快脉冲。
图7所示是钙钛矿可饱和吸收器件7以反射形式添加到激光谐振腔中的图片实例。光纤尾纤8垂直于饱和吸收器件7表面。光纤尾端可以用FC/PC接口作为尾端，也可以用SMA等接口，或者裸纤输出。光纤末端小面9垂直接触透明保护层3。激光通过光纤10传输至光纤头8，经由光纤末端小面9，垂直入射到可饱和吸收器件7上。该光纤可以是普通单模光纤，也可以是多模光纤。激光透过钙钛矿可饱和吸收材料2时，实现锁模，并通过高反射银膜16，反射回光纤尾纤8中，实现光纤谐振腔的线形振荡回路。
图8所示是钙钛矿可饱和吸收器件7以透射形式添加到激光谐振腔中的图片实例。两根光纤尾纤8和19分别垂直于饱和吸收器件7的底部和顶部。光纤尾端可以用FC/PC接口作为尾端，也可以用SMA等接口，或者裸纤输出。两个光纤末端小面9分别垂直接触透明保护层3和透明基底层1。激光通过光纤10传输至光纤头8，经由光纤末端小面9，入射可饱和吸收器件7。该光纤可以是普通单模光纤，也可以是多模光纤。激光透过钙钛矿可饱和吸收材料2时，实现锁模，并通过光纤头19，返回谐振腔中，实现光纤谐振腔的环形振荡回路。
由于钙钛矿材料遇水易变性，本发明通过PDMS作为转移剂，制作该可饱和吸收器件，制作方法的具体示例由图2至图5所示，包括以下步骤：
步骤1)制作一PDMS聚合物薄膜，作为转移层4。
步骤2)将钙钛矿纳米片2直接生长或者旋涂在PDMS转移层4上，并在30-50℃下加热10-30分钟，以确保所述钙钛矿粘附在所述基底上，形成钙钛矿-PDMS薄膜(图2)；
步骤3)将钙钛矿-PDMS薄膜倒置粘贴在用聚四氟乙烯制成的中间开有空洞的模具台5上,确保所要用的钙钛矿材料在模具台中间；然后将所述模具台放置在光学显微镜上方的可调载物台上,观察中间孔洞处的钙钛矿分布,找到合适大小和厚度的钙钛矿晶体(图3)；
步骤4)在光学显微镜下端的升降台上放置一个聚四氟乙烯模具6,所述聚四氟乙烯模具的中间放置可饱和吸收器件的基底层1；该基底层1可以是镀有高反膜的硅片或二氧化硅片，也可以是光学透明的石英片或聚合物片。通过调节所述载物台和所述升降台来交替微调所述基底层和之前寻找到的合适的钙钛矿的相对位置,直至将所述基底层移至所述合适的钙钛矿层的的下方；在确保所述基底层准确对准所述合适的钙钛矿位置后,将所述载物台向上升起,让所述钙钛矿可饱和吸收层精确粘附在基底层上(图4)；
步骤5)将所述转移好的器件在50-60℃下加热30分钟以上，PDMS转移层4会失去黏性，和钙钛矿饱和吸收层分离脱落(图5)；
步骤6)然后采用合适转速，在上述可饱和吸收层上旋涂一层PMMA或者PVA聚合物透明薄层3，作为保护层，至此，钙钛矿可饱和吸收器件制备完成(图6)。
上述实施例只是本发明的举例，尽管为说明目的公开了本发明的最佳实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容。

Claims (4)

1.一种基于钙钛矿材料的可饱和吸收体器件，其特征在于，包括基底层（1），以及封装在所述基底层（1）表面的可饱和吸收层（2）；所述可饱和吸收层（2）为钙钛矿材料；用于封装所述可饱和吸收层（2）的材料为光学透明的聚合物材料；
所述钙钛矿材料为有机-无机杂化钙钛矿材料、纯无机钙钛矿、钙钛矿衍生物或官能化钙钛矿材料；
所述可饱和吸收体器件通过以下方法制备得到：
（1）制备PDMS聚合物膜，作为转移层（4）；
（2）将钙钛矿纳米片直接生长在转移层（4）上，或者将钙钛矿纳米片旋涂在转移层（4）上，并在30-50 ̊C下加热10-30分钟，在转移层（4）表面得到可饱和吸收层（2）；
（3）将转移层（4）贴附于基底层（1）上，使其表面的可饱和吸收层（2）粘附在基底层（1）上；
（4）在50-60 ̊C下加热30分钟以上，PDMS转移层（4）失去黏性，和可饱和吸收层（2）分离脱落；
（5）在上述可饱和吸收层上旋涂一层PMMA或者PVA聚合物层，作为透明保护层（3）。
2.根据权利要求1所述的可饱和吸收器件，其特征在于，基底层（1）为反射层或透射层。
3.根据权利要求2所述的可饱和吸收器件，其特征在于，所述反射层为镀有反射膜的硅片或者二氧化硅片，所述透射层为聚合物透明薄膜。
4.根据权利要求1所述的可饱和吸收器件，其特征在于，光学透明的聚合物材料选自聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚乙烯醇（PVA）。
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