[发明专利]一种基于外尔半金属薄膜的饱和吸收器及脉冲激光器

权利要求书

1.一种基于外尔半金属薄膜的可饱和吸收器件，其特征在于：其结构由外尔半金属材料构成的可饱和吸收层和承载该饱和吸收层所需的光学薄膜功能层组成；所述的外尔半金属薄膜可饱和吸收器件分为反射型和透射型两种模式，其中，反射型结构布局由上至下为：光学衬底层(1)、外尔半金属可饱和吸收薄膜层(2)、缓冲层(3)和反射层(4)；

透射型结构布局由上至下为：光学衬底层(1)、外尔半金属可饱和吸收薄膜层(2)、缓冲层(3)。

2.根据权利要求1所述的外尔半金属薄膜的可饱和吸收器件，其特征在于：所述外尔半金属薄膜可饱和吸收器件的饱和吸收薄膜层(2)由零带隙、线性能量色散关系外尔半金属材料构成；所述外尔半金属材料包括二碲化钨(WTe₂)、砷化钽(TaAs)、磷化钽(TaP)和砷化铌(NbAs)；吸收层厚度选为1-1000nm，工作带宽覆盖1-10微米的近红外和中红外波段，实现对器件的多种非线性参数操控。

3.根据权利要求2所述的外尔半金属薄膜的可饱和吸收器件，其特征在于：所述外尔半金属薄膜可饱和吸收器件的饱和吸收层(2)通过控制退火时的温度、在材料中引入不同的元素缺陷度，或者通过施加横向或纵向电场均能实现对器件光学非线性参数的动态调控。

4.根据权利要求2或3所述的外尔半金属薄膜的可饱和吸收器件，其特征在于：通过控制缓冲层的厚度使可饱和吸收层在相应的工作波长具有不同的线性吸收率，进而可调控器件的饱和光强与可饱和吸收曲线；所述的缓冲层可通过激光脉冲沉积(PLD)、磁控溅射、热蒸发、PECVD等方法实现。

5.根据权利要求2所述的外尔半金属薄膜的可饱和吸收器件，其特征在于：所述的光学衬底层在工作波段需要高度透明。光学衬底的材料可为二氧化硅(SiO₂)、砷化镓(GaAs)、氧化铝(Al₂O₃)、氟化钙(CaF₂)和云母等，衬底厚度为0.1-10mm。

6.根据权利要求2所述的外尔半金属薄膜的可饱和吸收器件，其特征在于：光学反射层可以选择宽带高反射率的金属膜。包括金、银或铝膜，也可以是具有特定波长全反射的布拉格反射光栅及高反射率的光学镀膜材料。

7.根据权利要求1-6之一所述的外尔半金属薄膜的可饱和吸收器件的脉冲激光器，其特征在于：所述激光谐振腔使用提供的可饱和吸收器作为开关元件，实现宽波段的脉冲激光输出；所述激光器包括固体以及光纤激光的形式的激光器；所述饱和吸收器件可以选择工作在透射或反射形式；激光器应包括泵浦源，增益介质，谐振腔及所述饱和吸收器件。激光器可以工作在调Q及锁模方式。

8.根据权利要求1-6之一所述的外尔半金属薄膜的可饱和吸收器件的制备方法，其特征是：在高度透明的光学衬底上使用激光脉冲沉积技术生长高结晶质量的外尔半金属薄膜；然后通过磁控溅射、激光脉冲沉积或热蒸发的方法直接将缓冲层镀膜在可饱和吸收层上；最后，再次使用激光脉冲沉积、磁控溅射和热蒸发等技术在缓冲层的表面上镀上反射层。

9.根据权利要求8所述的外尔半金属薄膜的可饱和吸收器件的制备方法，其特征是：将纯度为99.999％的钨源和碲源按照1:2的剂量在700℃的条件加热一周制备出WTe₂目标靶材料；使用干粉压机将该靶材料压入硬靶中，同时将其密封在真空管中进行煅烧；之后进行镀膜操作，将干净的云母衬底放置在脉冲激光沉积设备的真空腔中，使用波长为248nm的KrF准分子激光束将薄膜沉积到衬底表面，操作过程中温度保持300℃，时间20-50分钟；沉积在云母衬底(1)上沉积30-50nm厚度的WTe₂，形成可饱和吸收层(2)；进行退火处理来弥补材料生长过程中相应的Te缺陷，退火时温度控制在700℃；根据退火过程中加入的Te元素剂量的不同，能制备出不同缺陷度的WTe₂样品。