一種基于黑磷的實用化可飽和吸收器件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于黑磷的實用化可飽和吸收器件，屬于激光器的可飽和吸收器件領(lǐng)域?；诤诹椎膶嵱没娠柡臀掌骷?，由上述四層材料組合而成、或其中三層材料相互組合而成、或相互組合的上述四層材料與四層材料上下任意增加的功能性插層組合而成、或可飽和吸收層任意與其中一層材料組合、或由可飽和吸收層組成而成；可飽和吸收層含有黑磷薄膜、黑磷納米片層顆粒、黑磷衍生物和官能化黑磷中的至少一種材料。本發(fā)明提供的基于黑磷的實用化可飽和吸收器件，實現(xiàn)激光器的調(diào)Q和鎖模、光信號處理等應(yīng)用，更重要的是發(fā)揮黑磷的特性可以靈活地調(diào)節(jié)調(diào)制深度的功效。
【專利說明】—種基于黑磷的實用化可飽和吸收器件

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于黑磷的實用化可飽和吸收器件，屬于激光器的可飽和吸收器件領(lǐng)域。
[0002]

【背景技術(shù)】
[0003]目前市場上主要使用的可飽和吸收器件是半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM)。但是，半導(dǎo)體可飽和吸收鏡存在很多難以克服的缺點。首先，SESAM需要復(fù)雜且昂貴的基于潔凈室的制造系統(tǒng)，制造工藝復(fù)雜，成本高；其次，由于II1-1V族半導(dǎo)體的固有帶隙，飽和吸收光譜范圍狹窄，基本局限在近紅外波段，對于中、遠(yuǎn)紅外波段，目前沒有可用的SESAM;第三，SESAM的光損傷閾值也很低，很難應(yīng)用在高功率激光領(lǐng)域中。
[0004]近年，石墨烯被發(fā)現(xiàn)可作為一種新型的可飽和吸收體用于激光器調(diào)Q、鎖模、光信號處理或者脈沖整形。石墨烯和單壁碳納米管(SWCNT)都是新型碳納米材料，它們都具有易于制作，成本低，光損傷閾值高等優(yōu)點，是受到該領(lǐng)域關(guān)注較多的可替代SESAM的新型可飽和吸收體材料。然而制作SWCNT可飽和吸收體時，由于其容易團(tuán)簇，導(dǎo)致難以分散；而其不均勻的手型性質(zhì)對于可飽和吸收體的光學(xué)性質(zhì)的精確控制存在固有問題，且限制了飽和吸收的帶寬。而使用石墨烯作為可飽和吸收體時，盡管其由于零帶隙而擁有寬波段可飽和吸收特性，但是單層石墨烯的光吸收較低(2.3%)，較難應(yīng)用在激光器中，而現(xiàn)有技術(shù)實現(xiàn)制備多層高質(zhì)量工藝難度大，制備過程中往往存在膜層分布不均勻?qū)е路秋柡蛽p耗增大、激光器泵浦閾值高的問題。
[0005]黑磷(black phosphorus)為直接帶隙材料，單原子層黑磷的帶隙為2 eV,多原子層黑磷的帶隙為0.3 eV，可通過改變黑磷的厚度來調(diào)節(jié)其帶隙，可以使吸收波長從500 nm到4100 nm之間變化，適用于從可見光到中紅外波段的激光器應(yīng)用。它是一種非常有潛力的超寬帶可飽和吸收材料，相比碳納米管而言，它可以實現(xiàn)更寬波段的吸收；相比石墨烯而言，它有更大的共振吸收(20%-30%)。實驗證明，黑磷有潛力替代SESAM成為超短脈沖光纖激光器和固體激光器的實用有效的可飽和吸收體材料。
[0006]


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明針對上述不足提供一種基于黑磷的實用化可飽和吸收器件。可飽和吸收器件在所述的激光腔中提供鎖模、調(diào)Q、光脈沖整形、光開關(guān)和光信號處理中至少一種功能?？蓱?yīng)用于光纖激光器環(huán)形腔或者線性腔、V型腔的結(jié)構(gòu)中，或者用于固體激光器、半導(dǎo)體激光器中。
[0008]本發(fā)明采用如下技方案:
本發(fā)明所述的一種基于黑磷的實用化可飽和吸收器件，包括基底層、高反層、可飽和吸收層與功能層；該可飽和吸收器件由上述四層材料相互組合而成、或其中三層材料相互組合而成、或相互組合的上述四層材料與四層材料上下任意增加的功能性插層組合而成、或可飽和吸收層任意與其中一層組合而成、或由可飽和吸收層組成而成；所述的可飽和吸收層含有黑磷薄膜、黑磷納米片層顆粒、黑磷衍生物和官能化黑磷中的至少一種材料。
[0009]本發(fā)明所述的基于黑磷的實用化可飽和吸收器件，所述的飽和吸收器件的基底層或基底上的插層放置在銅基或者中心開孔的銅基上；所述的飽和吸收器件的可飽和吸收層與光纖尾纖端面相連。
[0010]有益效果
本發(fā)明提供的基于黑磷的實用化可飽和吸收器件，實現(xiàn)激光器的調(diào)Q和鎖模、光信號處理等應(yīng)用，更重要的是發(fā)揮黑磷的新特性可以靈活地調(diào)節(jié)調(diào)制深度的功效。
[0011]黑磷(black phosphorus)作為一種新型的可飽和吸收體可以用于激光器調(diào)Q、鎖模、光信號處理或者脈沖整形。它是一種二維層狀原子晶體材料，具有極高的載流子遷移率和優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)，可實現(xiàn)較低的非飽和吸收損耗和較低的飽和吸收強度；相對于其他材料，另外黑磷具有更大的共振吸收。黑磷為直接帶隙材料，具有一定的能帶帶隙，單原子層黑磷的帶隙為2 eV，多原子層黑磷的帶隙為0.3 eV，應(yīng)用上通過改變黑磷的厚度即可以調(diào)控其帶隙，從而使吸收波長從500 nm到4100 nm之間變化，適用于從可見光到中遠(yuǎn)紅外波段的激光器。它是一種非常有潛力的超寬帶可飽和吸收材料，可以替代SESAM成為超短脈沖激光器的實用有效的可飽和吸收材料。
[0012]本發(fā)明器件可以發(fā)展成高效的透射型、反射型、耦合輸出型，可以用本發(fā)明技術(shù)方案發(fā)展從可見光到中紅外波長的器件，甚至可以擴(kuò)展到更廣泛的波長范圍，極大的拓展了二維層狀材料在激光調(diào)Q、鎖模、光信號處理等領(lǐng)域的應(yīng)用。
[0013]

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明的一種透射型可飽和吸收器件的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明的一種反射型可飽和吸收器件的結(jié)構(gòu)示意圖
圖3是本發(fā)明的一種耦合輸出型可飽和吸收器件的結(jié)構(gòu)示意圖圖4為透射型可飽和吸收器件與光纖結(jié)合結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5為反射型可飽和吸收器件與光纖結(jié)合結(jié)構(gòu)示意圖；
圖6為透射型可飽和吸收器件與中心開孔銅基結(jié)合結(jié)構(gòu)示意圖；
圖7為反射型可飽和吸收器件與中心開孔銅基結(jié)合結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]

【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明:
如圖所示:本發(fā)明所述的基于二維層狀材料的實用化可飽和吸收器件，包括基底層、高反層、可飽和吸收層與功能層；該可飽和吸收器件由上述四層材料相互組合而成、或其中三層材料相互組合而成、或相互組合的上述四層材料與四層材料上下任意增加的功能性插層組合而成、或可飽和吸收層任意與其中一層組合而成、或由可飽和吸收層3組成而成。進(jìn)一步來講，該可飽和吸收器件可以由上述四個層中的一個層、二個不同層、三個不同層、四個不同層、五個不同層甚至多個不同層組合而成，但這之中必須包含一個可飽和吸收層，所述的可飽和吸收層3含有黑磷薄膜、黑磷納米片層顆粒、黑磷衍生物和官能化黑磷中的至少一種材料。官能化黑磷是指用化學(xué)、電化學(xué)、或等離子處理等方法使黑磷的表面獲得特定化學(xué)基團(tuán)從而實現(xiàn)特定的功能。
[0017]進(jìn)一步地，所述的飽和吸收層可以是單獨由黑磷構(gòu)成，也可以是黑磷與其他材料的異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜，這里的可以選擇進(jìn)行異質(zhì)疊加的材料有:石墨烯、石墨烯衍生物(石墨烷、石墨炔等)、BN、過渡金屬硫化物(MoS2、WS2、WSe2等)、拓?fù)浣^緣體材料(Bi2Se3，Bi2Te3或Sb2Te3等)的單層、雙層或多層薄I吳構(gòu)成，又或者由石墨稀、石墨稀衍生物(石墨燒、石墨塊等)、BN、過渡金屬硫化物(MoS2、WS2、WSe2等)、拓?fù)浣^緣體材料(Bi2Se3, Bi2Te3或Sb2Te3等)中兩種或兩種以上疊層異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜等。
[0018]優(yōu)選地，功能層可以是與光纖折射率匹配的材料構(gòu)成，如:二氧化硅、二氧化鈦、三氧化二鋁等，也可以是具有增透作用的材料構(gòu)成，也可以具有高反射特性的材料構(gòu)成，或者是能保護(hù)可飽和吸收層的材料構(gòu)成。功能層材料和功能性插層材料可以相同也可以不同，具體材料可根據(jù)器件需要的功能選擇，功能層和功能性插層使本專利的可飽和吸收器件具有良好的擴(kuò)展性。
[0019]典型地，所述的高反層由金屬材料或半導(dǎo)體材料或介質(zhì)材料中的兩種或兩種以上材料組合而制成:所述的金屬材料采用:金或銀或銅或鋁或鎳或鍺或鉻；所述的半導(dǎo)體材料采用AlGaAs或InGaAs或砷化鎵或砷化鋁等砷化物或硅；所述的介質(zhì)材料采用氧化物或氟化物(如CaF2，MgF2等)或硫化物或氮化物或硒化物。
[0020]本發(fā)明所述的基于二維層狀材料的實用化可飽和吸收器件，所述的不同類型的飽和吸收器件的基底或減反層放置在銅基或者中心開孔的銅基上；
所述的不同類型飽和吸收器件的可飽和吸收層或功能層與光纖尾纖端面相連；光纖可以為單模光纖、摻稀土光纖、色散補償光纖、色散位移光纖、光子晶體光纖、高非線性光纖、鍺硅酸鹽光纖、磷酸鹽光纖、碲化物光纖、氟化物光纖或硫化物光纖等。
[0021]所述的基底由玻璃或硅或二氧化硅或碳化硅或石英或藍(lán)寶石或砷化鎵、砷化鋁或氟化物或硒化物或硫化物或氧化物介質(zhì)材料制成。
[0022]制備黑磷可飽和吸收體材料的非窮舉性方法包括微機械剝離法、化學(xué)插層剝離法、電化學(xué)剝離法、外延生長法、物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、化學(xué)反應(yīng)合成法等；構(gòu)建黑磷可飽和吸收體器件所使用的將黑磷與基底層或光纖結(jié)合的非窮舉性方法包括溶液法(如旋涂、噴涂、滴涂、浸涂黑磷的分散溶液等)、光學(xué)吸附沉積、物理或者化學(xué)氣相沉積?？蓪⒑诹着c其它母體薄膜材料復(fù)合組裝成可飽和吸收體器件用于激光器鎖模、調(diào)Q或相關(guān)的信號處理器件；母體薄膜材料的選取考慮以下因素:
(1)在感興趣的波長范圍中的透明性
(2)傳播損耗的減少
(3)與黑磷材料的低折射率失配性
(4)良好的熱和環(huán)境穩(wěn)定性
母體薄膜材料的非窮舉性名單包括聚乙烯醇(PVA)、聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、有機染料、無機材料、石墨烯等。
[0023]把黑磷封裝在母體薄膜材料中，使黑磷與外界氧氣隔離，可以防止光氧化和高功率激光器引起的光學(xué)漂白，這對于發(fā)展不隨時間而性能退化的有機光學(xué)部件非常重要；而且，母體薄膜的形貌結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)小于工作波長從而降低了散射損耗。同時，也可以將黑磷功能化來改善與母體薄膜材料的化學(xué)兼容性，提高機械和熱性能的同時調(diào)整光學(xué)性能。
[0024]封裝后的黑磷可以接入到不同載體或介質(zhì)中，例如金屬高反鏡或介質(zhì)高反鏡、光纖、光學(xué)玻璃、銅基等，形成實用化的可飽和吸收器件。
[0025]實施例一
將用機械剝離的方法獲得黑磷納米片層作為可飽和吸收層，飽和吸收層外包覆一層母體薄膜材料作為功能層，母體薄膜材料如聚乙烯醇聚碳酸酯〔？0、聚苯乙烯(口幻、聚甲基丙烯酸甲酯麗…、有機染料、無機材料、金屬氧化物、氟化物、鈣化物、石墨烯等，形成由可飽和吸收層與功能層構(gòu)成的透射型飽和吸收器件，如圖1所示?；蛘呖梢酝ㄟ^黑磷與其他材料混合制膜形成直接的透射型可飽和吸收器件。
[0026]實施例二
選擇由金屬、玻璃或硅或二氧化硅或碳化硅或石英或藍(lán)寶石或砷化鎵、砷化鋁或氟化鈣或硒化物或氧化物介質(zhì)材料之一作為基底，在基底上布置金屬高反層或者介質(zhì)高反層或者金屬與介質(zhì)異質(zhì)高反層，在高反層上布置黑磷薄膜或者黑磷納米片層或者黑磷衍生物或者黑磷與石墨烯、石墨烯衍生物(石墨烷、石墨炔等?、8隊過渡金屬硫化物(此匕、132、1862等?、拓?fù)浣^緣體材料(^“義卩812163或5132163等)等二維層狀材料組成異質(zhì)結(jié)構(gòu)層作為可飽和吸收層，在可飽和吸收層上布置類似實施例一中的母體薄膜材料作為功能層或者保護(hù)性功能層，這樣就形成四層結(jié)構(gòu)的反射型可飽和吸收器件，如圖2所示。
[0027]實施例三
選擇反射率低、透光率高的材料作為基底層，在基底層上依次布置反射率相對低一些的高反層、可飽和吸收層、功能層，在基底層的另一端面布置減反功能層或者增透功能層，這樣就形成了本專利的耦合輸出型可飽和吸收器件，如圖3所示。實例三實際上是在四層結(jié)構(gòu)上增加了功能型插層的一個方案。在其他的層增加功能性插層的方案就不一一列舉了。
[0028]本專利中的各種類型的器件均可以與光纖或者銅基或中心開孔的銅基結(jié)合形成實用化的器件，應(yīng)用于鎖模、調(diào)0、光脈沖整形、光開關(guān)和光信號處理等領(lǐng)域。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員無需創(chuàng)造性勞動可以根據(jù)本發(fā)明做出諸多修改和變化。因此，凡本領(lǐng)域技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在權(quán)利要求書所確定的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于黑磷的實用化可飽和吸收器件，包括基底層(I )，高反層(2)，可飽和吸收層(3)與功能層(4);該可飽和吸收器件由上述四層材料組合而成、或其中三層材料相互組合而成、或相互組合的上述四層材料與四層材料上下任意增加的功能性插層組合而成、或可飽和吸收層(3)任意與其中一層材料組合、或由可飽和吸收層(3)組成而成；其特征在于:所述的可飽和吸收層(3)含有黑磷薄膜、黑磷納米片層顆粒、黑磷衍生物和官能化黑磷中的至少一種材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的基于黑磷的實用化可飽和吸收器件，其特征在于:所述的可飽和吸收器件的基底層(I)或基底上的插層放置在銅基或者中心開孔的銅基上；所述的可飽和吸收器件的可飽和吸收層(3)與光纖尾纖端面相連。
【文檔編號】H01S3/098GK104466646SQ201410666314
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月20日
【發(fā)明者】鮑小志 申請人:鮑小志