CN111653930A - 基于硼烯二维材料的可饱和吸收体及其制备方法和锁模脉冲激光器 - Google Patents

基于硼烯二维材料的可饱和吸收体及其制备方法和锁模脉冲激光器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于硼烯纳米片的可饱和吸收体，所述基于硼烯二维材料的可饱和吸收体组成包括光波导以及设置在光波导表面的硼烯二维材料。由于得到的可饱和吸收体稳定性较高，可用于长时间被动锁模。该类二维材料与目前用于锁模激光器的常规二维材料一样具有可饱和吸收特性。本发明还提供了一种基于硼烯二维材料的可饱和吸收体的制备方法和应用，包括：取含有硼烯二维材料的溶液，将溶液滴加在光波导的表面并对光波导通光，硼烯被吸附在光波导表面上，干燥后制得可饱和吸收体。所述制备方法简单易操作。本发明还提供了一种被动锁模脉冲激光器，所述被动锁模激光器稳定性较好，可长时间稳定工作。

Description

基于硼烯二维材料的可饱和吸收体及其制备方法和锁模脉冲 激光器
技术领域
本发明涉及超快脉冲激光领域，具体涉及一种基于硼烯二维材料的可饱和吸收体及该基于硼烯二维材料的可饱和吸收体的制备方法，本发明还涉及一种锁模脉冲激光器。
背景技术
激光作为一种具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性优点的光源，激光器已广泛应用于高端制造、信息通讯、生物和医疗健康等产业及军事工业、国防安全等领域，是当今世界战略高科技竞争的重要设备之一，越来越多的传统产业依靠激光加工技术，提升产品的加工质量，解决传统加工方法和工艺不能解决的难题，成功完成转型。而锁模技术的发展，特别是被动锁模技术的产生，让激光器产生高稳定性、高光束质量和高能量的超短脉冲，具有非常大的应用价值。
对于被动锁模技术，其关键是寻找稳定可靠的可饱和吸收体。目前常用的可饱和吸收体有半导体可饱和吸收镜(SESAM)、石墨烯、拓扑绝缘体、过度金属硫化物等二维材料。市场上的SESAM由于其响应波长短，且价格十分昂贵，其它二维材料也存在如光吸收率低、载流子迁移率低等不足。虽然黑磷作为集其他材料的优点于一身的材料，但其本身具有的容易氧化而导致不稳定的性质却限制了其在锁模激光器中的应用，同时，黑磷本身的制造成本也很高，这限制其在实际应用中的生产以及应用于激光器设备。因此，有必要寻找新一类易于制备，廉价且稳定的可饱和吸收体。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种可饱和吸收体及其制备方法和锁模脉冲激光器，所述可饱和吸收体性能稳定，所述锁模脉冲激光器可以长时间稳定工作。
本发明第一方面提供了一种基于硼烯二维材料的可饱和吸收体，所述基于硼烯二维材料的可饱和吸收体包括光波导以及设置在所述光波导表面的硼烯二维材料。
在一具体实施方式中，所述光波导为微纳光纤时，所述硼烯二维材料包覆在所述微纳光纤的表面。
优选的，所述硼烯二维材料在所述微纳光纤的表面沿光传播方向上的包覆长度为100-500μm。
在另一具体实施方式中，当所述光波导为D型光纤时，所述硼烯二维材料覆盖在所述D型光纤的表面。
优选的，所述硼烯二维材料的厚度为1-50nm。
本发明第一方面提供的硼烯对光能产生较大的吸收，从而解决了常规二维材料对光吸收弱的问题。制作硼烯的原材料也比其他大多数常规二维材料要便宜，加上制备方法简单，所以制备成本不是很高。并且得到的可饱和吸收体稳定性较好，可以长时间用于被动锁模。
本发明第二方面提供了一种基于硼烯二维材料的可饱和吸收体的制备方法，包括以下步骤：
取含有硼烯二维材料的溶液，将溶液滴加在光波导的表面并对光波导通光，硼烯被吸附在光波导表面上，干燥后制得可饱和吸收体；
所述可饱和吸收体包括光波导以及设置在所述光波导表面的硼烯二维材料。
优选的，将所述溶液滴加至所述光波导表面后，在所述光波导中通入波长为980nm的连续激光光源或者中心波长为1064nm或1550nm的自发辐射光源，促使所述硼烯二维材料沉积到所述光波导上，通光0.5-2小时后，制得所述可饱和吸收体。
本发明第二方面提供的可饱和吸收体的制备方法，所述制备方法通过在所述光波导表面滴加含有硼烯二维材料的溶液，对光波导通光，干燥后通过即可制得所述可饱和吸收体，方法简单易操作。
本发明第三方面提供了一种被动锁模脉冲激光器，包括如上述第一方面所述的可饱和吸收体。
优选的，所述被动锁模脉冲激光器为全光纤激光器或全固态激光器。
优选的，所述全光纤激光器包括沿光传播方向顺序设置的泵浦源、波分复用器、增益光纤、偏振无关隔离器、所述可饱和吸收体、偏振控制器和光纤耦合器；
所述全固态激光器包括沿光传播方向顺序设置的泵浦源、输入镜、聚焦透镜、增益介质、所述可饱和吸收体和输出镜。
本发明第三方面提供的被动锁模脉冲激光器，稳定性好，同时工作在1um波段，符合市场上大多数工业加工的波长需求并能长时间稳定工作。
综上，本发明有益效果包括以下几个方面：
本发明提供的所述基于硼烯二维材料的可饱和吸收体稳定性较好，故可得到稳定性较好的被动锁模脉冲。
本发明提供的可饱和吸收体的制备方法，所述制备方法通过在光波导表面滴加含有硼烯二维材料的溶液，通光干燥后即可制得可饱和吸收体，方法简单易操作。
本发明提供的被动锁模脉冲激光器，应用于工业加工常见的1um波段稳定性较好，符合市场上大多数工业加工的波长需求。
附图说明
图1为本发明一实施方式提供的可饱和吸收体的制备过程示意图；
图2为本发明一实施方式提供的全光纤激光器的结构示意图；
图3为本发明另一实施方式提供的全固态激光器的结构示意图；
图4为实施例1提供的锁模脉冲光源结果图，其中，图a为光谱图；图b为脉冲序列图；图c为脉冲宽度测量图；图d为脉冲稳定性以及信噪比测量图。
图5为本实施例1提供的锁模脉冲激光器的脉冲脉冲稳定性效果图。
具体实施方式
以下所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
本发明实施方式第一方面提供了一种基于硼烯二维材料的可饱和吸收体。所述基于硼烯二维材料的可饱和吸收体包括光波导以及设置在所述光波导表面的硼烯二维材料。
本发明实施方式中，所述硼烯二维材料的厚度为1-50nm。硼烯二维材料作为一种二维材料，具备相关的非线性光学性质，对光的吸收强，响应快，尤其是制造成本低，适用于作为可饱和吸收体产品应用于超快激光领域中。
本发明实施方式中，所述光波导为微纳光纤。进一步可选地，所述微纳光纤为普通单模光纤(HI1060)拉锥制备成。其中单模光纤的直径为业界常规选择，在此不做特殊限定。可选地，当所述光波导为微纳光纤时，所述硼烯二维材料覆盖在所述微纳光纤的表面。可选地，所述硼烯二维材料在所述微纳光纤的表面沿光传播方向上的包覆长度为100-500μm。进一步可选地，包覆长度为300μm。
本发明实施方式中，当所述光波导为D型光纤时，所述硼烯二维材料设置在所述D型光纤端面的表面。可选地，所述硼烯二维材料附着在所述D型光纤的一侧表面。
本发明第一方面提供了一种基于硼烯二维材料的可饱和吸收体，包括光波导以及设置在所述光波导表面的硼烯二维材料。其中，所述硼烯二维材料制得的可饱和吸收体稳定性较好，可以长时间用于被动锁模。
本发明实施方式第二方面提供了一种基于硼烯二维材料的可饱和吸收体的制备方法，包括以下步骤：
取含有硼烯二维材料的溶液，将溶液滴加在光波导的表面并对光波导通光，硼烯被吸附在光波导表面上，干燥后制得可饱和吸收体；所述可饱和吸收体包括光波导以及设置在所述光波导表面的硼烯二维材料。
可选地，所述含有硼烯二维材料的溶液按照以下方法制得：
取适量硼粉分散在溶剂中得到混合溶液，将所述溶液进行超声，所述超声频率为20-40kHz，所述超声时间为8-12h，超声过程中的温度为18-22度中的任一温度并保持恒温，将超声后的所述混合溶液离心，取上清液，即得到所述还有硼烯二维材料的溶液。
进一步可选地，所述超声频率为40kHz，超声时间为10h，超声过程中的温度选择20度并保持恒温。
可选的，所述离心速度为1000-1200r/min，所述离心时间为20-40min。进一步可选地，所述离心速度为1000r/min，所述离心时间为30min。
本发明实施方式中，将所述溶液滴加至所述光波导的表面后，在所述光波导内通入波长为980nm的连续激光光源或中心波长为1064或1550nm的放大自发辐射光源(ASE光源)，促使所述硼烯二维材料沉积到所述光波导上，通光0.5-2小时后，制得所述可饱和吸收体。进一步可选的，所述光源为980nm连续激光光源，通光时间为1h。如图1所示，可选地，当所述光波导为微纳光纤1时，将所述溶液2滴加至所述微纳光纤1的表面后，在微纳光纤1内通入波长为980nm的连续激光光源或中心波长为1064或1550nm的ASE光源，促使所述硼烯二维材料沉积到所述光波导上，照射0.5-2小时后，制得所述可饱和吸收体。
可选地，将所述溶液滴加至所述光波导的表面后，也可以通过自然风干的方式进行干燥，制得所述可饱和吸收体
可选地，当所述光波导为微纳光纤时，将所述溶液滴加至所述微纳光纤的表面，使所述硼烯二维材料包覆在所述微纳光纤的表面。
可选地，当所述光波导为D型光纤时，所述溶液滴加在所述D型光纤的一个表面，使所述硼烯二维材料附着在所述D型光纤的表面。
本发明实施方式第二方面提供了一种基于硼烯二维材料的可饱和吸收体的制备方法，所述制备方法通过在光波导表面上滴加硼烯二维材料的溶液，通光干燥即可制得可饱和吸收体，方法简单易操作。
本发明实施方式第三方面提供了一种被动锁模脉冲激光器，包括如上述第一方面所述的可饱和吸收体。
可选地，所述被动锁模脉冲激光器为全光纤激光器或全固态激光器。
本发明第一实施方式中，如图2所示，所述全光纤激光器包括顺序设置的泵浦源101、波分复用器102、增益光纤103、偏振无关隔离器104、所述可饱和吸收体105、偏振控制器106和光纤耦合器107。其中，所述全光纤激光器的泵浦源101为波长为980nm的激光二极管光源，最大功率600mW。可选地，增益光纤103包括掺镱光纤。偏振无关隔离器104为偏振不相关，其作用为保证光在环形腔内的单向传输。可饱和吸收体105产生可饱和吸收，使全光纤激光器产生超快激光脉冲。偏振控制器106用于调节光纤的双折射，从而调节腔内光的相位。光纤耦合器107选用激光输出比为10％的输出比例。
本发明实施方式中，泵浦源、波分复用器、偏振无关隔离器、偏振控制器和光纤耦合器是业界常规选择，本发明不做特殊限定。
本发明第二实施方式中，所述全固态激光器包括泵浦光源、输入镜、聚焦透镜、增益介质、所述可饱和吸收体和输出镜。从图3可以看出，全固态激光器包括顺序设置的泵浦光源401、输入镜402、聚焦透镜403、增益光纤404、可饱和吸收体405和输出镜406。泵浦光源401输出的泵浦光通过聚焦透镜403进入到增益介质404，增益介质404受到泵浦光的激励，激发信号光。输入镜402对信号光是全反，而对泵浦光全透。输出镜406对信号光是部分透过。输入镜和输出镜组成激光器的谐振腔，可饱和吸收体产生可饱和吸收，使激光器产生超快激光脉冲。
可选地，可饱和吸收体405又透明晶体和附着在透明晶体上的硼烯二维材料组成。可选地，增益介质为Yb3+：ScBO3、Nd：YAG陶瓷、Yb：CYA、Cr：ZnSe、Yb：LuYAG、Tm：CaYAlO4、Er：Y2O3陶瓷、Tm：YAG陶瓷等，具体地说，当选择不同的增益介质时，泵浦光源、输入镜、聚焦透镜、可饱和吸收体、输出镜等的工作波长为相应增益介质的工作波长。可选地泵浦光源、输入镜、聚焦透镜和输出镜为业界常规选择，本发明不做特殊限定。
本发明第三方面提供的被动锁模脉冲激光器，稳定性较好，可以长时间稳定工作。
实施例1：
一种基于硼烯二维材料的可饱和吸收体的制备方法，包括以下步骤：
取适量硼粉分散在溶剂中得到混合溶液，将混合溶液进行超声，超声频率为40kHz，超声时间为10h，超声过程中的温度为20度并保持恒温，将超声后的所述混合溶液离心，取上清液，离心速度为1000r/min，离心时间为30min，即得到所述还有硼烯二维材料的溶液；
依照附图1所示，将含有硼烯二维材料的溶液滴到事先准备好的微纳光纤上，用波长为980nm的连续光光源对微纳光纤通光，促使硼烯材料沉积到微纳光纤上，得到基于硼烯二维材料的可饱和吸收体。
将可饱和吸收体连接到光纤激光器环形腔中，光纤激光器的结构包括顺序设置的泵浦源、波分复用器、增益光纤、偏振无关隔离器、所述可饱和吸收体、偏振控制器和光纤耦合器。泵浦源为工作在980nm波段的半导体激光器，增益光纤光纤为掺镱光纤，光纤耦合器具有10％的输出比。适当增加泵浦功率和调节偏振控制器，可以得到锁模脉冲激光，记录到的脉冲激光性质如附图4所示，其中，图a为光谱图；图b为脉冲序列图；图c为脉冲宽度测量图；图d为脉冲稳定性以及信噪比测量图。从图a可以看出，陡峭光谱边到边的宽度为2nm。从图b中可以看出，脉冲在腔内往返一圈时间为65.2ns，对应脉冲重复频率为15.34MHz；从图c中可以看出，脉冲宽度约为314.8皮秒；从图d中可以看出，测出脉冲基频信噪比为62dB。图5为锁模脉冲光纤激光器的脉冲稳定性效果图。每隔一小时测量一次，总共测量8小时(图5中仅显示其中连续的5次测量结果)。测量结果证明光谱没多大变化，说明此激光器稳定性很好。
综上，本发明实施例提供的基于硼烯二维材料作为可饱和吸收体得到的锁模脉冲光纤激光器稳定性较好。
实施例2：
一种基于硼烯二维材料的可饱和吸收体的制备方法，包括以下步骤：
取适量硼粉分散在溶剂中得到混合溶液，将混合溶液进行超声，超声频率为30kHz，超声时间为11h，超声过程中的温度为18度并保持恒温，将超声后的所述混合溶液离心，取上清液，离心速度为1100r/min，离心时间为25min，即得到所述还有硼烯二维材料的溶液；
将含有硼烯二维材料的溶液滴到事先准备好的微纳光纤上，用中心波长为1064nm的ASE光源对微纳光纤通光，促使硼烯材料沉积到微纳光纤上，得到基于硼烯二维材料的可饱和吸收体。
实施例3：
一种基于硼烯二维材料的可饱和吸收体的制备方法，包括以下步骤：
取适量硼粉分散在溶剂中得到混合溶液，将混合溶液进行超声，超声频率为25kHz，超声时间为12h，超声过程中的温度为22度并保持恒温，将超声后的所述混合溶液离心，取上清液，离心速度为1200r/min，离心时间为25min，即得到所述还有硼烯二维材料的溶液；
将含有硼烯二维材料的溶液滴到事先准备好的微纳光纤上，用中心波长为1550nm的ASE光源对微纳光纤通光，促使硼烯材料沉积到微纳光纤上，得到基于硼烯二维材料的可饱和吸收体。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于硼烯二维材料的可饱和吸收体，其特征在于，所述可饱和吸收体包括光波导以及设置在所述光波导表面的硼烯二维材料。
2.如权利要求1所述的基于硼烯二维材料的可饱和吸收体，其特征在于，所述光波导为微纳光纤时，所述硼烯二维材料包覆在所述微纳光纤的表面。
3.如权利要求2所述的基于硼烯二维材料的饱和吸收体，其特征在于，所述硼烯二维材料在所述微纳光纤的表面沿光传播方向上的包覆长度为100-500μm。
4.如权利要求1所述的基于硼烯二维材料的可饱和吸收体，其特征在于，当所述光波导为D型光纤时，所述硼烯二维材料设置在所述D型光纤一侧的表面上。
5.如权利要求4所述的基于硼烯二维材料的可饱和吸收体，其特征在于，所述硼烯二维材料的厚度为1-50nm。
6.一种基于硼烯二维材料的可饱和吸收体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
取含有硼烯二维材料的溶液，将溶液滴加在光波导的表面并对光波导通光，硼烯被吸附在光波导表面上，干燥后制得可饱和吸收体；
所述可饱和吸收体包括光波导以及设置在所述光波导表面的硼烯二维材料。
7.如权利要求6所述的基于硼烯二维材料的制备方法，其特征在于，将所述溶液滴加在所述光波导的表面后，在所述光波导中通入波长为980nm的连续激光光源或者中心波长为1064nm或1550nm的自发辐射光源，促使所述硼烯二维材料沉积到所述光波导上，通光0.5-2小时后，制得所述可饱和吸收体。
8.一种被动锁模激光器，其特征在于，包括如权利要求1-5任一项所述的可饱和吸收体。
9.如权利要求8所述的锁模脉冲激光器，其特征在于，所述锁模脉冲激光器为全光纤激光器或全固态激光器。
10.如权利要求9所述的锁模脉冲激光器，其特征在于，所述全光纤激光器包括沿光传播方向顺序设置的泵浦源、波分复用器、增益光纤、偏振无关隔离器、所述可饱和吸收体、偏振控制器和光纤耦合器；
所述全固态激光器包括沿光传播方向顺序设置的泵浦源、输入镜、聚焦透镜、增益介质、所述可饱和吸收体和输出镜。
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