一種寬波段石墨烯可飽和吸收鏡的製作方法
2023-04-23 12:05:06
專利名稱：一種寬波段石墨烯可飽和吸收鏡的製作方法
技術領域：
本發明涉及雷射器技術領域，特別涉及一種用於鎖模雷射器或調Q雷射器的寬波段石墨烯可飽和吸收鏡。
背景技術：
從上世紀90年代初半導體可飽和吸收鏡(SESAM)首次在鎖模雷射器中應用以來， 由於其性能穩定、使用壽命長、無汙染等優點迅速取代了應用將近三十年之久的染料，成為鎖模雷射器中主要的可飽和吸收器件，並極大地促進了超快雷射技術的發展。目前可用的 SESAM基本局限在近紅外波段，且帶寬有限，這就使鎖模雷射脈衝的波長覆蓋範圍和波長可調性受到嚴重限制。尤其對於中、遠紅外波段，目前沒有可用的SESAM，使得在這些波段難於產生穩定的超短鎖模脈衝。而石墨烯的出現為解決這些問題提供了可能。石墨烯由單層或者幾層的碳原子組成，是零帶隙材料，在整個光波段有平緩的吸收帶，可以在超寬的波長範圍工作。同時，由於電子泡利不相容原理使石墨烯具有超寬帶可飽和吸收的性質。另外， 石墨烯具有低的飽和能流和超快的吸收恢復時間。石墨烯的這些性質表明，它是一種非常有潛力的超寬帶可飽和吸收材料，理論上適用於從近紅外到中遠紅外波段內任意波長的鎖模和調Q雷射器，為不同光譜區超短脈衝的產生及應用提供了有力的支持，具有巨大的應用前景。然而，如何將石墨烯層製備成可用的石墨烯可飽和吸收鏡，同時保留其超寬帶可飽和吸收的特性，成為了必須解決的關鍵技術問題。目前，常用的方式是將石墨烯層轉移到反射式介質膜鏡片上或者轉移到透射式光學鏡片上，前者由於介質反射膜帶寬有限限制了石墨烯的超寬帶可飽和吸收特性，後者由於透射式鏡片在雷射腔內的F-P效應限制了透射帶寬也限制了石墨烯的超寬帶特性，因此造成實際的石墨烯可飽和吸收鏡頻率帶寬受限，不能完全發揮石墨烯超寬帶可飽和吸收的優勢。
發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術的缺陷，提供一種寬波段石墨烯可飽和吸收鏡，由作為可飽和吸收體的石墨烯以及金膜反射鏡基底構成，利用石墨烯本徵的超寬帶可飽和吸收特性結合金膜反射鏡在近紅外到中遠紅外超寬光譜範圍內高反射率的特點，實現了鎖模雷射脈衝輸出。本發明的技術解決方案如下
一種寬波段石墨烯可飽和吸收鏡，特點在於其構成從下至上依次包括光學襯底、鍍金反射膜以及在該鍍金反射膜上的石墨烯層。所述的光學襯底是由玻璃、石英、氟化鈣、硒化鋅或碳化矽材料製成。所述的石墨烯層為CVD方法生長的大面積石墨烯層。所述的石墨烯層的層數為單層或多層。與現有技術相比，本發明的有益效果是
(1)寬波段石墨烯可飽和吸收鏡具有超寬的頻率帶寬，為極短(幾個光周期)鎖模脈衝的產生提供了條件。(2)寬波段石墨烯可飽和吸收鏡在近、中紅外波段具有可飽和吸收特性，可同時滿足近中紅外不同波段雷射器對可飽和吸收鏡的需求，特別是彌補了目前在中紅外波段沒有可靠的SESAM鎖模元件的缺陷。(3)通過選擇石墨烯的層數來改變可飽和吸收鏡的調製深度，從而適用於不同要求的超短脈衝雷射系統。(4)製作相對簡單，成本低廉，而且石墨烯相對SESAM較低的飽和能流使得在相同條件下雷射器更容易實現穩定的連續鎖模。
圖1是本發明寬波段石墨烯可飽和吸收鏡的結構示意圖。圖2是本發明寬波段石墨烯可飽和吸收鏡在鎖模雷射器中的使用狀態圖。圖3是本發明寬波段石墨烯可飽和吸收鏡在調Q雷射器中的使用狀態圖。
具體實施例方式下面結合實施例和附圖對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發明的保護範圍。請先參閱圖1，圖1是本發明一種寬波段石墨烯可飽和吸收鏡的結構示意圖。如圖所示，一種寬波段石墨烯可飽和吸收鏡9，從下至上依次包括光學襯底1、鍍金反射膜2以及在該鍍金反射膜2上的石墨烯層3構成。光學襯底1是由玻璃、石英、氟化鈣、硒化鋅或碳化矽材料製成，表面具有良好的光學質量。通過在光學襯底1上蒸鍍一層鍍金反射膜2實現對近紅外到中遠紅外寬光譜範圍內不同波長雷射的高反射率，然後將石墨烯層3轉移到鍍金膜反射膜2上。利用石墨烯的寬帶飽和吸收特性結合金膜反射膜2在寬光譜範圍高反射率的特點製成寬波段石墨烯可飽和吸收鏡，克服了目前轉移到介質膜反射鏡上的石墨烯可飽和吸收體帶寬有限以及轉移到透射式鏡片上的石墨烯可飽和吸收體在雷射腔內的F-P效應等問題，適用於從近紅外到中紅外任意波長的鎖模或調Q雷射器。石墨烯層3的層數可以根據實際需要的調製深度進行選擇，可以是單層，也可以是多層。圖2是本發明寬波段石墨烯可飽和吸收鏡在鎖模雷射器中的使用狀態圖。由圖可知，泵浦系統4發出的泵浦光經過準直聚焦後，通過輸入鏡5入射到雷射介質6內。雷射諧振腔由輸入鏡5、其他光學鏡片7、8、11以及寬波段石墨烯可飽和吸收鏡(Graphene SAM) 9 和稜鏡對10構成。寬波段石墨烯可飽和吸收鏡9在本雷射器中一方面起到啟動和穩定鎖模的作用， 另一方面作為鎖模雷射器的一個端鏡與雷射器中的光學鏡片一起構成雷射鎖模諧振腔。通過外置充氣裝置不斷向寬波段石墨烯可飽和吸收鏡9通惰性氣體隔離空氣中的氧氣以及散熱，也可以預先在石墨烯層上鍍保護膜，防止石墨烯層氧化。當低功率雷射通過寬波段石墨烯可飽和吸收鏡9時，吸收損耗大；當高功率雷射通過寬波段石墨烯可飽和吸收鏡9時， 吸收損耗小。因此通過寬波段石墨烯可飽和吸收鏡9選擇讓雷射器工作在鎖模模式(高峰值功率模式)，而非連續光工作模式(低功率模式)，最終在雷射諧振腔內形成超短鎖模脈衝並通過輸出耦合鏡11輸出。應用時該寬波段石墨烯可飽和吸收鏡可以用惰性氣體防護石墨烯層，也可以在石墨烯層上鍍保護膜層進行防護。圖3是本發明寬波段石墨烯可飽和吸收鏡在調Q雷射器中的使用狀態圖。由圖可知，泵浦系統4發出的泵浦光經過準直聚焦後，通過輸入鏡5入射到雷射介質13內。雷射諧振腔由輸入鏡5、其他光學鏡片14以及寬波段石墨烯可飽和吸收鏡9構成。雷射介質13 面向泵浦系統4的一面鍍對於泵浦波長和雷射波長同時高透的增透膜，雷射介質13面向石墨烯可飽和吸收鏡9的一面鍍膜一方面對泵浦波長高反，以防止泵浦光通過雷射介質13後入射到石墨烯可飽和吸收鏡9上造成石墨烯飽和，同時對於雷射波長高透，保證雷射經過雷射介質13損耗最小，通過石墨烯可飽和吸收鏡9的可飽和吸收作用，實現雷射調Q脈衝輸出。實驗表明，本發明在Iym和2μπι波段雷射器上實現鎖模雷射脈衝輸出，適用於從近紅外到中遠紅外波段的鎖模和調Q雷射器，大大提高了可飽和吸收鏡的波長適用範圍，為不同光譜區超短脈衝的產生及應用提供了有力的支持，且製備簡單廉價，具有廣泛的應用前景。
權利要求
1.一種寬波段石墨烯可飽和吸收鏡，特徵在於其構成從下至上依次包括光學襯底 (1)、鍍金反射膜(2)以及在該鍍金反射膜(2)上的石墨烯層(3)。
2.根據權利要求1所述的寬波段石墨烯可飽和吸收鏡，其特徵在於所述的光學襯底 (1)是由玻璃、石英、氟化鈣、硒化鋅或碳化矽材料製成。
3.根據權利要求1所述的寬波段石墨烯可飽和吸收鏡，其特徵在於所述的石墨烯層 (3)為CVD方法生長的大面積石墨烯層。
4.根據權利要求3所述的寬波段石墨烯可飽和吸收鏡，其特徵在於所述的石墨烯層 (3)的層數為單層或多層。
全文摘要
本發明公開了一種寬波段石墨烯可飽和吸收鏡，其構成從下至上依次包括光學襯底、鍍金反射膜以及在該鍍金反射膜上的石墨烯層。本發明不僅製備方法簡單、成本低廉、而且克服了SESAM帶寬有限以及不同波段不可兼用的缺點，在1μm和2μm波段鎖模雷射器上成功實現了鎖模雷射脈衝輸出，適用於從近紅外到中遠紅外波段的鎖模和調Q雷射器，大大提高了可飽和吸收鏡的波長適用範圍，為不同光譜區超短脈衝的產生及應用提供了有力的支持。
文檔編號H01S3/11GK102545022SQ201210018529
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月20日 優先權日2012年1月20日
發明者呂鵬, 謝國強, 錢列加, 馬傑, 高文蘭 申請人:上海交通大學