[發明專利]三維狄拉克半金屬材料紅外可飽和吸收器件

有效

• 申請號: 201610019501.3
• 申請日: 2016-01-12
• 公開（公告）號: CN105490146B
• 公開（公告）日: 2019-01-08
• 發明（設計）人: 王楓秋;朱春輝;孟亞飛;徐永兵;張榮;祝世寧
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: H01S3/098
• 分類號: H01S3/098;H01S3/11;G02F1/355
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 陳建和

本發明公開了一種三維狄拉克半金屬材料紅外可飽和吸收器件，使用零帶隙、線性能量色散關系的三維狄拉克半金屬材料作為可飽和吸收層，工作波長覆蓋紅外區域，并且多種參數具有高度可調控性；器件包括由三維狄拉克半金屬材料構成的可飽和吸收層和承載該可飽和吸收層所需的光學元件。其中反射型可飽和吸收器件由上至下的如下材料分布：功能層(1)、光學襯底(2)、可飽和吸收層(3)和反射層(4)構成；透射型可飽和吸收器由功能層(1)、光學襯底(2)和可飽和吸收層(3)組成；工作波長覆蓋紅外區域，基于這種三維狄拉克半金屬材料可飽和吸收器件的紅外調Q和鎖模激光器具有穩定性高、工作波長可調諧、輸出功率大等優點。

技術領域

本發明有關于一種基于三維狄拉克半金屬材料的紅外可飽和吸收器件，屬于激光器技術領域。

背景技術

紅外脈沖激光在光譜、自由空間通信、醫藥學和精確外科手術等領域具有極高的應用價值。紅外脈沖激光的產生主要有主動和被動兩種方式，其中被動方式由于具有無需外部電控器件，且生成的脈沖更短，所以備受人們青睞。

可飽和吸收器件是實現被動方式脈沖激光產生的核心器件。該器件的光吸收率隨入射光功率增大而減小，具有顯著的光學可飽和吸收特征。目前工藝上比較成熟的可飽和吸收器件是半導體可飽和吸收鏡(SESAMs)。SESAMs一般為多量子阱結構，并具有多種光學參數調控方案。例如，可以通過降低材料的生長溫度來調控器件的弛豫時間。但是SESAMs的常用材料體系GaAs、InP等，其工作波長僅能覆蓋近紅外波段(<1.5μm)。雖然近年來也曾出現過一些改進方案，但是其工作波長仍然沒有延伸到長波長的紅外波段，特別是3μm及以上波段。

近年來，諸如碳納米管、石墨烯、準二維拓撲絕緣體、二維過渡金屬硫化物、黑磷之類的低維納米材料展現出了優秀的寬帶光學可飽和吸收特性，但是由這些低維材料在制備時大多使用液相剝離或者后轉移方法，在器件中不可避免的引入大量的缺陷，使得材料的結晶質量難以控制，大大降低了器件的可重復性，并且尚沒有可靠的非線性光學參數的調控方案提出。這種現狀限制了紅外脈沖激光的產生和優化，遠遠不能滿足人們對紅外脈沖激光的需求。

發明內容

為了解決以上問題，本發明的目的在于，提供一種可靠的、參數可調控的紅外可飽和吸收器件。使用本發明提供的三維狄拉克半金屬材料紅外可飽和吸收器件，可以實現紅外激光的鎖模或調Q，從而產生穩定、高度可重復的大功率脈沖激光輸出。本發明還具體的提供了基于三維狄拉克半金屬材料紅外可飽和吸收器件的鎖模或調Q脈沖激光器的技術方案。

實現本發明目的技術解決方案為：一種三維狄拉克半金屬材料紅外可飽和吸收器件，在于使用零帶隙、線性能量色散關系的三維狄拉克半金屬材料作為可飽和吸收層，工作波長覆蓋紅外區域，并且多種參數具有高度可調控性；器件包括由三維狄拉克半金屬材料構成的可飽和吸收層和承載該可飽和吸收層所需的光學元件。

所述的三維狄拉克半金屬材料紅外可飽和吸收器件具有反射型和透射型兩種模式；反射型可飽和吸收器件由上至下的如下材料分布：功能層(1)、光學襯底(2)、可飽和吸收層(3)和反射層(4)構成；透射型可飽和吸收器由功能層(1)、光學襯底(2)和可飽和吸收層(3)組成；其中，所述的功能層(1)包含光學鍍膜和鈍化層；其中，光學鍍膜既是單層鍍膜或多層鍍膜，鍍膜材料選用鍺(Ge)、砷化鎵(GaAs)、硒化鋅(ZnSe)、硫化鋅(ZnS)、氟化鎂(MgF₂)、二氧化鈦(TiO₂)、氧化鋯(ZrO)等材料中的一種或幾種，并且通過控制鍍膜的厚度和材料組合使這些光學鍍膜在工作波長具有不同的反射率，從而調控器件的可飽和光強；光學鍍膜的厚度是0.001-100微米。

三維狄拉克半金屬材料紅外可飽和吸收器件中的功能層(1)包含光學鍍膜和鈍化層，通過激光脈沖沉積、磁控濺射和熱蒸發等方法實現；所述的鈍化層選用二氧化硅(SiO₂)和氧化鋁(Al₂O₃)等，鈍化層厚度是0.01-100微米。