[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

说明书

本发明公开了一种基于外尔半金属薄膜的可饱和吸收器件，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)。

技术领域

本发明涉及激光技术，具体是一种基于外尔半金属薄膜的可饱和吸收器及脉冲激光器。

背景技术

超短脉冲激光光源在生物成像、通信、医疗手术和分子光谱等领域都具有极高的应用价值。超短脉冲激光主要通过被动锁模方式实现。被动锁模具有无需外加调制设备、产生的脉冲宽度窄、脉冲激光输出稳定性强等优点。获得饱和吸收效应的器件或机制是实现被动锁模的关键条件。半导体可饱和吸收镜(SESAMs)具有显著的饱和吸收光学特性(光吸收随入射光功率的增大而减小)，已被广泛的研究并应用于被动锁模激光器中。商用的SESAMs为半导体量子阱结构，其饱和吸收层的材料通常选用GaAs，InP等。受限于这些半导体材料的带隙等因素，SESAMs的工作带宽通常只能覆盖可见光到近红外波段(<2μm)，很难在长波长(>2μm)或中红外波段工作。另一方面，SESAMs仅可通过离子轰击、低温生长这两种方法实现对材料载流子弛豫时间的精确调控。而这些工艺自身存在着各自的缺陷。寻找宽带工作器件特别是长波长工作的器件，以及新工艺实现对器件的多种非线性光学参数的调控，已成为超快激光技术研究领域的一个热点问题。

尽管已有研究人员提出了利用碳纳米管、石墨烯、黑磷、二维过渡金属硫化物等具有宽带光学开关效应的低维纳米材料制作宽带的可饱和吸收器件。但就其制备工艺而言，这些材料的制备通常采用液相剥离或后转移的方法，会导致材料中存在着大量的缺陷态，降低了器件制造的一致性。另一方面，基于这些材料的饱和吸收体还没有一套高度可靠的非线性光学参数调控方案被提出。这都极大的限制了超短脉冲激光的产生和发展。

发明内容

本发明目的是，针对现有技术的不足，提供了一种工作范围覆盖近红外至中红外波段、非线性光学参数高度可控的可饱和吸收器件。

本发明的技术方案：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)。

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精确操控。

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可实现对器件光学非线性参数的动态调控。

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。

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。