[发明专利]三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件

说明书

本发明公开了一种三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件，使用零带隙、线性能量色散关系的三维狄拉克半金属材料作为可饱和吸收层，工作波长覆盖红外区域，并且多种参数具有高度可调控性；器件包括由三维狄拉克半金属材料构成的可饱和吸收层和承载该可饱和吸收层所需的光学元件。其中反射型可饱和吸收器件由上至下的如下材料分布：功能层(1)、光学衬底(2)、可饱和吸收层(3)和反射层(4)构成；透射型可饱和吸收器由功能层(1)、光学衬底(2)和可饱和吸收层(3)组成；工作波长覆盖红外区域，基于这种三维狄拉克半金属材料可饱和吸收器件的红外调Q和锁模激光器具有稳定性高、工作波长可调谐、输出功率大等优点。

技术领域

本发明有关于一种基于三维狄拉克半金属材料的红外可饱和吸收器件，属于激光器技术领域。

背景技术

红外脉冲激光在光谱、自由空间通信、医药学和精确外科手术等领域具有极高的应用价值。红外脉冲激光的产生主要有主动和被动两种方式，其中被动方式由于具有无需外部电控器件，且生成的脉冲更短，所以备受人们青睐。

可饱和吸收器件是实现被动方式脉冲激光产生的核心器件。该器件的光吸收率随入射光功率增大而减小，具有显著的光学可饱和吸收特征。目前工艺上比较成熟的可饱和吸收器件是半导体可饱和吸收镜(SESAMs)。SESAMs一般为多量子阱结构，并具有多种光学参数调控方案。例如，可以通过降低材料的生长温度来调控器件的弛豫时间。但是SESAMs的常用材料体系GaAs、InP等，其工作波长仅能覆盖近红外波段(<1.5μm)。虽然近年来也曾出现过一些改进方案，但是其工作波长仍然没有延伸到长波长的红外波段，特别是3μm及以上波段。

近年来，诸如碳纳米管、石墨烯、准二维拓扑绝缘体、二维过渡金属硫化物、黑磷之类的低维纳米材料展现出了优秀的宽带光学可饱和吸收特性，但是由这些低维材料在制备时大多使用液相剥离或者后转移方法，在器件中不可避免的引入大量的缺陷，使得材料的结晶质量难以控制，大大降低了器件的可重复性，并且尚没有可靠的非线性光学参数的调控方案提出。这种现状限制了红外脉冲激光的产生和优化，远远不能满足人们对红外脉冲激光的需求。

发明内容

为了解决以上问题，本发明的目的在于，提供一种可靠的、参数可调控的红外可饱和吸收器件。使用本发明提供的三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件，可以实现红外激光的锁模或调Q，从而产生稳定、高度可重复的大功率脉冲激光输出。本发明还具体的提供了基于三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件的锁模或调Q脉冲激光器的技术方案。

实现本发明目的技术解决方案为：一种三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件，在于使用零带隙、线性能量色散关系的三维狄拉克半金属材料作为可饱和吸收层，工作波长覆盖红外区域，并且多种参数具有高度可调控性；器件包括由三维狄拉克半金属材料构成的可饱和吸收层和承载该可饱和吸收层所需的光学元件。

所述的三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件具有反射型和透射型两种模式；反射型可饱和吸收器件由上至下的如下材料分布：功能层(1)、光学衬底(2)、可饱和吸收层(3)和反射层(4)构成；透射型可饱和吸收器由功能层(1)、光学衬底(2)和可饱和吸收层(3)组成；其中，所述的功能层(1)包含光学镀膜和钝化层；其中，光学镀膜既是单层镀膜或多层镀膜，镀膜材料选用锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、硒化锌(ZnSe)、硫化锌(ZnS)、氟化镁(MgF₂)、二氧化钛(TiO₂)、氧化锆(ZrO)等材料中的一种或几种，并且通过控制镀膜的厚度和材料组合使这些光学镀膜在工作波长具有不同的反射率，从而调控器件的可饱和光强；光学镀膜的厚度是0.001-100微米。

三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件中的功能层(1)包含光学镀膜和钝化层，通过激光脉冲沉积、磁控溅射和热蒸发等方法实现；所述的钝化层选用二氧化硅(SiO₂)和氧化铝(Al₂O₃)等，钝化层厚度是0.01-100微米。