用于光纖激光器被動鎖模的飽和吸收體的制作方法
【專利摘要】一種用于光纖激光器被動鎖模的飽和吸收體，它包括SiC晶體襯底，在SiC晶體襯底一個表面生長有石墨烯層，SiC晶體襯底另一表面經過研磨拋光為曲率半徑為R的球面；SiC晶體襯底固定在機械夾具內，夾具兩端留有圓形通光孔，可連接光纖頭。
【專利說明】
用于光纖激光器被動鎖模的飽和吸收體
技術領域
[0001]本方案涉及一種用于光纖激光器被動鎖模的飽和吸收體器件及其使用方法，屬于激光被動調Q和鎖模技術領域。
【背景技術】
[0002]迄今，石墨烯已經在半導體激光器、全固態激光器、光纖激光器和波導激光器中實現了激光鎖模調制。
[0003]石墨烯飽和吸收體與現有的被動鎖模器件Cr:YAG晶體、半導體可飽和吸收鏡(SESAM)、碳納米管相比，具有制備簡單、成本低廉、可飽和吸收光譜范圍寬等優點，使其成為最具潛力的，有望產業化的新型飽和吸收體。石墨烯可飽和吸收特性好，隨層數增加吸收率變大，10層吸收率達到0.207，相比其它半導體材料的吸收效率要高的多。石墨烯具有超快飽和弛豫時間，帶間躍迀弛豫時間在0.4?1.7ps，可起到啟動鎖模作用，帶內載流子散射和復合弛豫時間70?120fs，可有效壓縮脈沖，穩定鎖模，產生飛秒脈沖。石墨烯調制深度可調:石墨烯的調制深度對層數改變而變化，可通過合理選擇層數，來優化鎖模脈沖性能。石墨稀零帶隙的特殊結構，理論上對任何波長都有吸收作用(400nm?2500nm)。另外，石墨稀熱導性好、抗損傷閾值高，導熱率達到5000W m—1 k—1，是目前已知導熱率最高材料。
[0004]2010年，新加坡國立大學羅建平等人申請了發明專利【基于石墨烯的可飽和吸收體器件及方法】，申請號201080020659.3。本方案公開了一種適用于環形腔光纖激光器或線形腔光纖激光器中的基于石墨烯的飽和吸收體器件。所述飽和吸收體器件包括光學元件和由所述光學元件所承載并包括石墨烯、石墨烯衍生物和官能化石墨烯中的至少之一的基于石墨烯的飽和吸收體材料。一種示例性的光學元件為具有末端小面的光纖，所述末端小面承載所述飽和吸收體材料。
[0005]以上專利技術均是針對通過化學氣相沉積法或氧化還原等方法制備的納米級石墨烯層，進行轉移后，附著到其它光學器件(光纖頭)上，作為飽和吸收體使用。對于采用SiC熱解法制備的石墨烯目前沒有有效的轉移方法。SiC熱解法是在真空或一定氣氛下加熱SiC單晶襯底，使得SiC表面的硅原子被釋放，碳原子重構，即可獲得石墨烯。該方法的一個重要優勢就是，SiC是寬禁帶半導體，可以作為良好的絕緣襯底，避免化學氣相沉積法中石墨烯的轉移過程，SiC晶體具有良好的透光性，具有大的熱導率和折射率，可實現輸出鏡和飽和吸收體的一體化，制備出的石墨烯可以直接進行使用，而且表面石墨烯層數可控。
[0006]2010年，山東大學的于浩海等人申請了發明專利石墨烯光學調Q開關及應用，申請號201010242865.0。石墨烯光學調Q開關包括SiC襯底和生長在SiC襯底上面的石墨烯材料，載有石墨烯的一面朝向激光腔內，另一面朝向激光腔外。石墨烯光學調Q開關用于激光器中，栗浦光經過激光增益介質后再通過石墨烯調Q元件，SiC襯底作為輸出鏡與置于激光增益介質前面的前腔鏡形成諧振腔，可用于固體激光器的調Q鎖模。
[0007]2014年，山東大學張麗強等人在《CHINESE OPTICS LETTERS》發表文章《Wavelength tunable passively Q-switched Yb-doped double-clad fiber laserwith graphene grown on SiC》，使用SiC襯底上生長石墨稀作為飽和吸收體進行光纖激光器被動調Q鎖模實驗，實驗激光器光路。因為使用的SiC襯底為方形晶體片，將其插入光纖激光器光路中需要用到光纖準直器、激光會聚透鏡等器件，光路十分復雜，調試非常困難。綜上所述，對于用SiC襯底生長的石墨烯作為飽和吸收體進行光纖激光器被動調Q鎖模應用，現有技術存在不足和需要改進的地方。
【發明內容】
[0008]針對現有技術的不足，本方案提供了一種體積小巧，易于集成到光纖環形光路的基于SiC晶體襯底的飽和吸收體，可適用于環形腔光纖激光器或線形腔光纖激光器中。起飽和吸收作用的為SiC晶體襯底表面的石墨烯層，SiC晶體襯底不具有非線性效應，其對激光的透過率高，可直接作為石墨烯飽和吸收體的固定和散熱基底使用。該石墨烯生長方法為:通過加熱單晶6H-SiC或者4H-SiC脫除Si，從而得到在SiC表面外延的石墨烯;將表面經過氧化或H2刻蝕后的SiC在高真空下通過電子轟擊加熱到1000°C以除掉表面的氧化物，升溫至1250?1450 °C，恒溫I?20min，可得到厚度由溫度控制的石墨稀薄片。
[0009]本方案的技術方案如下:一種用于光纖激光器被動鎖模的飽和吸收體，它包括SiC晶體襯底，在SiC晶體襯底一個表面生長有石墨烯層形成石墨烯生長面，SiC晶體襯底另一表面經過研磨拋光為曲率半徑為R的球面。
[0010]本方案的具體特點還有，所述的Si C晶體襯底采用4H-S i C晶體襯底或6H-S i C晶體襯底。
[0011]進一步，所述的SiC晶體襯底生長石墨烯層的表面可以為碳面，也可以為硅面。
[0012]進一步，所述SiC晶體襯底表面上的石墨烯層的層數為一層以上，熱解過程可以控制石墨烯生長層數，不同的石墨烯層數對激光的吸收效率和調制深度不同。
[0013]進一步，所述的SiC晶體襯底的石墨烯生長面為平面，另一表面是球面;SiC晶體襯底側面固定在機械夾具內，夾具上設置有圓形通光孔，可連接光纖頭;進一步，所述的SiC晶體襯底可視作等效焦距為f的光學透鏡，f=R/(n-l )，起會聚激光作用;所述的機械夾具兩端靠近石墨烯生長面的通光孔為進光孔，對側的通光孔為出光孔，機械夾具通光孔可以加工成不同接口以連接不同類型光纖頭。
[0014]進一步，所述的機械夾具通光孔固定光纖頭后，進光端光纖頭和出光端光纖頭距離飽和吸收體的距離分別對應為物距L1和像距L2,且和SiC晶體襯底的等效焦距f有關，滿足光學透鏡物象關系l/Li+l/L2=l/f。
[0015]用于光纖激光器被動鎖模的飽和吸收體應用方法為:通過兩個通光孔，分別連接進光光纖頭和出光光纖頭，直接插入環形或線性光纖激光光路中，作為激光飽和吸收體使用。
[0016]本方案的有益效果是:該發明提供了一種可用于光纖激光器被動鎖模的飽和吸收體器件及其應用方法，該器件使用簡單，體積小，安裝方便;將其中的SiC晶體襯底直接做成正透鏡形式，起到對激光進行會聚耦合的作用，減少了對以前該類型飽和吸收體使用過程中對準直鏡、會聚透鏡等光學透鏡的依賴，簡化了激光器光路，降低了調試難度，節約了激光器成本。
【附圖說明】
[0017]圖1為用于光纖激光器被動鎖模的飽和吸收體基本結構示意圖；圖2是配置夾具后的用于光纖激光器被動鎖模的飽和吸收體結構示意圖；圖3是用于光纖激光器被動鎖模的飽和吸收體具體應用于光纖激光器光路系統框圖。
[0018]圖中，1-SiC晶體襯底;2_石墨稀層;3_機械夾具;4_通光孔。
【具體實施方式】
[0019]如圖1所示，一種用于光纖激光器被動鎖模的飽和吸收體，它包括SiC晶體襯底I，在SiC晶體襯底I 一個表面生長有石墨烯層2，SiC晶體襯底I另一表面經過研磨拋光為曲率半徑為R的球面。所述的SiC晶體襯底I采用4H-SiC晶體襯底或6H-SiC晶體襯底;所述的SiC晶體襯底I生長石墨烯層2的表面可以為碳面，也可以為硅面;所述SiC晶體襯底I表面上的石墨烯層2的層數為一層以上，熱解過程可以控制石墨烯生長層數，不同的石墨烯層的層數對激光的吸收效率和調制深度不同；所述的SiC晶體襯底I的石墨烯生長面為平面，另一表面是球面；
SiC晶體襯底I側面固定在機械夾具3內，在機械3上設置有圓形通光孔4，可連接光纖頭;進一步，所述的SiC晶體襯底I可視作等效焦距為f的光學透鏡，起會聚激光作用;所述的機械夾具3兩端靠近石墨烯面的通光孔4為進光孔，對側的通光孔為出光孔，機械夾具通光孔可以加工成不同接口以連接不同類型光纖頭。
[0020]進一步，所述的機械夾具通光孔固定光纖頭后，進光端光纖頭和出光端光纖頭距離飽和吸收體的距離分別對應為物距1^和像距L2,且和SiC晶體襯底I的等效焦距f有關，滿足光學透鏡物象關系l/U+l/L2=l/f。
[0021]該實施例如圖2、3所示，所用SiC晶體襯底I為單晶4H-SiC，厚度為5mm，外徑為6mm，其硅面上生長有石墨烯層2，通過拉曼光譜測試，石墨烯層數為10層，SiC晶體襯底的另一面經過研磨拋光為球面，曲率半徑為R=1mm13SiC晶體襯底通過機械夾具3封裝固定，兩端留有通光孔4，可連接SMA接頭光纖頭，入射端光纖頭固定后，光纖頭出光點距離石墨烯層的距離為Li=1mm,出射端光纖頭固定后，光纖頭距離SiC晶體襯底距離為I^=ISmmc3SiC晶體襯底可等效為一個光學平凸透鏡，焦距f=R/(n_l)=6mm，其中n=2.67為SiC晶體襯底的折射率。使用方法如圖3所示，將該飽和吸收體器件通過光纖頭連接后可直接放在光纖激光器的環形光路內，做為光纖激光器的飽和吸收體使用。
【主權項】
1.一種用于光纖激光器被動鎖模的飽和吸收體，它包括SiC晶體襯底，在SiC晶體襯底一個表面生長有石墨烯層形成石墨烯生長面，其特征是SiC晶體襯底另一表面經過研磨拋光為曲率半徑為R的球面。2.根據權利要求1所述的用于光纖激光器被動鎖模的飽和吸收體，其特征是所述的SiC晶體襯底采用4H-SiC晶體襯底或6H-SiC晶體襯底。3.根據權利要求1所述的用于光纖激光器被動鎖模的飽和吸收體，其特征是所述的SiC晶體襯底生長石墨烯層的表面可以為碳面，也可以為硅面。4.根據權利要求1所述的用于光纖激光器被動鎖模的飽和吸收體，其特征是所述SiC晶體襯底表面上的石墨烯層的層數為一層以上。5.根據權利要求1所述的用于光纖激光器被動鎖模的飽和吸收體，其特征是所述的SiC晶體襯底的石墨烯生長面為平面。6.根據權利要求1所述的用于光纖激光器被動鎖模的飽和吸收體，其特征是SiC晶體襯底的側面固定在機械夾具內，夾具兩端留有圓形通光孔;所述的機械夾具兩端的通光孔，靠近SiC晶體襯底石墨烯生長面的為進光孔，靠近SiC晶體襯底對側另一面的為出光孔。7.根據權利要求6所述的用于光纖激光器被動鎖模的飽和吸收體，其特征是所述的機械夾具通光孔固定光纖頭后，進光端光纖頭和出光端光纖頭距離飽和吸收體的距離分別對應為物距1^和像距L2,且和SiC晶體襯底的等效焦距f有關，滿足光學透鏡物象關系1/U+1/L2=l/fο
【文檔編號】H01S3/098GK106025778SQ201610535214
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月8日
【發明人】李明, 王昌, 徐現剛, 陳秀芳
【申請人】山東省科學院激光研究所