[发明专利]集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于非线性光学领域，具体涉及一种集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件及其制备方法。

背景技术

非线性光学的研究对象是介质在强激光场作用下由于极化强度的高阶项强度不可被忽略而产生的非线性现象以及其应用。非线性光学现象或效应包括可饱和吸收、多光子吸收、光学倍频、混频、参量振荡等。依赖于非线性光学现象或效应的器件称为非线性光学器件，其应用非常广泛，包括：基于可饱和吸收的激光锁模或者调Q脉冲生成、二次、三次以及更高阶的谐波产生、和频或差频法实现激光频率转换、利用光学参量震荡实现激光频率调谐等。这些非线性光学应用与激光技术的发展息息相关。

脉冲是指每间隔一定时间才发生一次的工作方式。以脉冲工作方式运转的激光器就是脉冲激光器。与连续波激光器相比，这类激光器具有脉冲能量大、峰值功率高、频谱丰富等特点，近年来在光通信系统、光电传感、生物医学、精密加工等方面得到了广泛的应用。实现激光脉冲一般有锁模和调Q两种方式。

锁模激光器，是输出光脉冲宽度在皮秒量级或更短的激光器的统称（1皮秒=10^-12秒），具有峰值功率高、时间灵敏度高等特点。调Q激光器与锁模激光器相比，一般产生脉冲重复频率更低，脉冲持续时间更长，脉冲能量更高。目前产生锁模或调Q激光器一般有主动方式和被动方式两类技术。由于使用被动方式产生脉冲无需外部电控器件，所以成为当前脉冲激光应用的首选技术。

以被动方式实现激光脉冲的核心器件称为可饱和吸收体，是一种在激光工作波长具有吸收率随入射光功率增大而减小特征（也称光学可饱和吸收）的非线性光学器件。这类非线性光学器件根据材料的不同，可具有多种不同器件结构和形态。随着入射光功率强度到称为可饱和吸收体饱和强度的阈值, 可饱和吸收体对入射光的吸收达到最小值。一般常用有可饱和吸收特征的非线性光学器件为半导体可饱和吸收镜(SESAM)，这类器件利用了法珀腔结构，因而具有光学吸收强、线性损耗低的优点，但是由于所使用的半导体材料的带宽、热性能等的限制，基于SESAM的激光器具有光谱带宽受限、耦合难度大、损伤阈值低等一系列问题。

近年来，多种低维碳纳米材料，如单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、石墨烯（包括氧化石墨烯和还原的氧化石墨烯）等，由于其优异的非线性光学特征，相继被应用于光纤激光器和固态激光器中产生激光脉冲。与SESAM所使用的半导体可饱和吸收材料相比，低维碳纳米材料具有工作波长范围广、损伤阈值高等优秀的光学特性。然而，目前基于低维碳纳米材料的非线性光学器件通常采用薄膜器件的形式，光学参数由低维碳纳米材料的本征值所决定，因而相关的光学参数难以调控，限制了基于这些器件的脉冲激光器的参数优化范围，导致脉冲激光器的稳定性、功率输出以及偏振态调控等受限，限制了该类激光器的应用前景。

发明内容

本发明公开了一种集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件及其制备方法，这种非线性光学器件可作为可饱和吸收器件、光调制器件、脉冲整形器件或噪声抑制器件。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件，包括第一光学反射元件、第二光学反射元件、间隔材料层和碳材料层；第一光学反射元件和第二光学反射元件存在空间间隔形成法布里－珀罗谐振腔（也称法珀腔，该法珀腔存在一系列光学共振频率）；碳材料层位于第一光学反射元件和第二光学反射元件之间；间隔材料层位于第一光学反射元件与碳材料层之间，或位于第二光学反射元件与碳材料层之间，或位于第一光学反射元件与碳材料层之间以及第二光学反射元件与碳材料层之间。

其中第一光学反射元件材料为介质多层反射膜或金属纳米薄膜，其反射率为0.1%-100%，第二光学反射元件材料为介质多层反射膜或金属纳米薄膜，碳材料层为石墨、单层石墨烯、多层石墨烯、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管或无定型碳中的一种或多种碳材料依次叠加形成的复合结构，碳材料层厚度为0.3纳米-1微米；间隔材料层材料为高聚物透明材料、透明氧化物陶瓷或透明非氧化物陶瓷，间隔材料层厚度为50纳米-200微米。

介质多层反射膜材料优选硫化锌、氟化镁、氟化钇、氧化钽、砷化镓、砷化铝、无定型硅、无定型锗、氧化铂、氧化钛或氧化硅；金属纳米薄膜材料优选金、银或铝；高聚物透明材料优选聚乙烯醇、聚丙烯酸胺、聚甲基丙烯酸甲酯或纤维素；透明氧化物陶瓷优选氧化铝、氮氧化铝，氧化镁、氧化铍、氧化钇或氧化钇-二氧化锆；透明非氧化物陶瓷优选砷化镓、硫化锌、硒化锌、氟化镁或氟化钙。