拓扑绝缘体可饱和吸收镜及其制备方法

摘要

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种拓扑绝缘体可饱和吸收镜及其制备方法。该拓扑绝缘体可饱和吸收镜包括基底及镀在所述基底上的拓扑绝缘体薄膜。制备方法包括如下步骤：将基底及拓扑绝缘体靶材置于真空室；将所述拓扑绝缘体靶材表面电离化，产生所述拓扑绝缘体的等离子体，所述等离子体沉积在所述基底上形成拓扑绝缘体薄膜；控制沉积时间及/或沉积温度使所述拓扑绝缘体薄膜达到所需厚度。这种新型拓扑绝缘体可饱和吸收镜具有高损伤阈值，结构简单、成本低廉，可靠性高，适于批量生产，同时，利用这种拓扑绝缘体可饱和吸收镜的锁模光纤激光器具有高可靠性和适于成果转化的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种拓扑绝缘体可饱和吸收镜及其制 备方法。

背景技术

利用被动锁模技术是光纤激光器实现超快脉冲输出的一种有效途径，而被 动锁模的关键技术是光纤激光器谐振腔中需要具备可饱和吸收效应。目前，研 究人员已经利用多种可饱和吸收效应在光纤激光器中获得被动锁模超快脉冲输 出。一般来说，为了克服光纤激光锁模环境不稳定的缺点，研究人员通常采用 半导体可饱和吸收镜(SESAM)来实现光纤激光器锁模超快脉冲输出。然而，由 于商用SESAM价格昂贵、制作工艺复杂、可饱和吸收带宽窄、一般仅支持皮秒 级别的脉冲输出，并且损伤阈值也较低，所以也不适用于全方位研究超快光纤 激光器的动力学特性。因此，研制出成本低廉、工艺简单、高性能的可饱和吸 收体一直是超快激光物理领域追求的目标。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种拓扑绝缘体可饱和吸收镜及其制 备方法，以解决现有技术中所采用的商用SESAM价格昂贵、制作工艺复杂、 可靠性低的缺陷。本发明是这样实现的：

一种拓扑绝缘体可饱和吸收镜，包括基底及镀在所述基底上的拓扑绝缘体 薄膜。

进一步地，所述基底为石英或碳化硅。

进一步地，所述拓扑绝缘体薄膜的材料包括碲化铋、硒化铋及碲化锑中的 任意一种。

一种拓扑绝缘体可饱和吸收镜的制备方法，包括如下步骤：

将基底及拓扑绝缘体靶材置于真空室；

将所述拓扑绝缘体靶材表面电离化，产生所述拓扑绝缘体的等离子体，所 述等离子体沉积在所述基底上形成拓扑绝缘体薄膜；

控制沉积时间及/或沉积温度使所述拓扑绝缘体薄膜达到所需厚度。

进一步地，所述基底为石英或碳化硅。

进一步地，所述拓扑绝缘体薄膜的材料包括碲化铋、硒化铋及碲化锑中的 任意一种。

一种锁模光纤激光器，包括半导体泵浦激光器、光学耦合组件、谐振腔； 所述半导体泵浦激光器产生的泵浦光通过所述光学耦合组件准直聚焦后耦合进 入所述谐振腔；所述谐振腔包括上述任意一种拓扑绝缘体可饱和吸收镜，所述 拓扑绝缘体可饱和吸收镜用于对所述谐振腔产生的激光锁模。

进一步地，所述谐振腔还包括：

双色镜、激光晶体、第一激光高反射镜、第二激光高反射镜；

所述半导体泵浦激光器产生的泵浦光通过所述光学耦合组件准直聚焦后透 过所述双色镜进入所述激光晶体产生激光，产生的激光可经所述双色镜反射进 入所述第一激光高反射镜，再经所述第一激光高反射镜反射到所述拓扑绝缘体 可饱和吸收镜进行锁模，锁模后的激光经原光路返回所述激光晶体进行放大； 经放大后的激光通过所述第二激光高反射镜输出。

进一步地，所述锁模光纤激光器还包括棱镜对及输出镜；所述第二激光高 反射镜输出的激光经所述棱镜对压缩后再通过所述输出镜输出。

进一步地，所述谐振腔还包括双包层有源光纤、凸透镜对；所述半导体泵 浦激光器产生的泵浦光通过所述光学耦合组件准直聚焦后耦合进入所述双包层 有源光纤产生激光；产生的激光经所述凸透镜对准直聚焦到所述拓扑绝缘体可 饱和吸收镜进行锁模，锁模后的激光经原光路返回所述双包层有源光纤进行放 大；经放大后的激光通过所述双包层有源光纤输出。

与现有技术相比，这种新型拓扑绝缘体可饱和吸收镜具有高损伤阈值，结 构简单、成本低廉，可靠性高，适于批量生产，同时，利用这种拓扑绝缘体可 饱和吸收镜的锁模光纤激光器具有高可靠性和适于成果转化的优点。

附图说明

图1：本发明实施例提供的拓扑绝缘体可饱和吸收镜的结构示意图；

图2：本发明实施例提供的拓扑绝缘体可饱和吸收镜的制备方法流程示意 图；

图3：本发明实施例提供的锁模光纤激光器结构示意图；

图4：本发明另一实施例提供的锁模光纤激光器结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实 施例，对本发明进行进一步详细说明。

如图1所示，本发明实施例提供了一种拓扑绝缘体可饱和吸收镜，包括基 底101及镀在基底上的拓扑绝缘体薄膜102。在本实施例中，基底101可采用 石英或碳化硅，比如用石英片或碳化硅片作为基底101。拓扑绝缘体薄膜102 的材料可包括碲化铋、硒化铋及碲化锑中的任意一种。这种拓扑绝缘体可饱和 吸收镜的工作原理是，将其作为激光器的一个高反射镜，当谐振腔内的激光被 该拓扑绝缘体可饱和吸收镜反射时，激光可被拓扑绝缘体可饱和吸收镜调制， 实现锁模。这种拓扑绝缘体可饱和吸收镜具有高损伤阈值，可对光进行宽带调 制的同时作为光的反射镜，可用于激光系统中脉冲激光产生的关键器件。

如图2所示，本发明一实施例提供了上述拓扑绝缘体可饱和吸收镜的制备 方法，包括如下步骤：

步骤S1：将基底及拓扑绝缘体靶材置于真空室；

步骤S2：将拓扑绝缘体靶材表面电离化，产生拓扑绝缘体的等离子体，等 离子体沉积在基底上形成拓扑绝缘体薄膜；

步骤S3：控制沉积时间及/或沉积温度使拓扑绝缘体薄膜达到所需厚度。

根据上述对拓扑绝缘体可饱和吸收镜的结构描述可知，在制备该拓扑绝缘 体可饱和吸收镜时，可采用石英或碳化硅为基底材料，比如采用石英片或碳化 硅片作为基底，同时，拓扑绝缘体薄膜的材料包括碲化铋、硒化铋及碲化锑中 的任意一种。在具体实施时，可将拓扑绝缘体靶材及基底置于真空室中，采用 激光脉冲沉积法将拓扑绝缘体靶材表面电离后形成等离子体，并使等离子体沉 积到基底上，形成拓扑绝缘体薄膜。在沉积过程中，通过控制沉积时间或沉积 温度等参数都能控制沉积的薄膜的厚度，当沉积的拓扑绝缘体薄膜厚度达到所 需厚度时，即可停止沉积。

传统的半导体可饱和吸收镜采用化学气相沉积法制备，半导体材料需要层 层生长，每层都需要精确控制，制备的半导体可饱和吸收镜带宽仅几十纳米。 而本发明利用激光脉冲沉积的方法，制备过程简单，可大批量生产，一块拓扑 绝缘体靶材可以制备上千块拓扑绝缘体可饱和吸收镜。同时，在沉积过程中， 通过控制沉积的温度、时间等可以控制沉积的拓扑绝缘体薄膜的厚度和均匀性， 从而可大批量生产，同时使制作的拓扑绝缘体可饱和吸收镜规格一致，制备出 的拓扑绝缘体可饱和吸收镜带宽可从可见光拓展到红外甚至微波。

如图3所示，本发明一实施例还提供了一种锁模光纤激光器，该激光器包 括半导体泵浦激光器1、光学耦合组件2、谐振腔3，半导体泵浦激光器1产生 的泵浦光通过光学耦合组件2准直聚焦后耦合进入谐振腔3。谐振腔3包括上 述任意一种拓扑绝缘体可饱和吸收镜6，拓扑绝缘体可饱和吸收镜6用于对谐 振腔3产生的激光锁模。在本实施例中，谐振腔3还包括双色镜3、激光晶体4、 第一激光高反射镜5、第二激光高反射镜7。双色镜是一种对一定波长的光几乎 完全透过，而对另一些波长的光几乎完全反射的光学元件。在本实施例中，双 色镜3对半导体泵浦激光器1产生的泵浦光高透过，而对激光晶体4产生的激 光高反射。光学耦合组件2包含一凸透镜对，该凸透镜对包括两个凸透镜2， 半导体泵浦激光器1产生的泵浦光通过光学耦合组件2中的凸透镜对准直聚焦 后透过双色镜3进入激光晶体4产生激光，产生的激光可经双色镜3反射进入 第一激光高反射镜5，再经第一激光高反射镜5反射到拓扑绝缘体可饱和吸收 镜6进行锁模，锁模后的激光经原光路返回激光晶体4进行放大，经放大后的 激光通过第二激光高反射镜7输出。锁模光纤激光器1还可包括棱镜对及输出 镜9，棱镜对包括两个棱镜8。第二激光高反射镜7输出的激光经棱镜对压缩后 再通过输出镜9输出。

如图4所示，本发明另一实施例还提供了另一种锁模光纤激光器，该激光 器包括半导体泵浦激光器1、光学耦合组件2、谐振腔3，谐振腔3包括上述任 意一种拓扑绝缘体可饱和吸收镜6，拓扑绝缘体可饱和吸收镜6用于对谐振腔3 产生的激光锁模。半导体泵浦激光器1产生的泵浦光通过光学耦合组件2准直 聚焦后耦合进入谐振腔3。在本实施例中，光学耦合组件2包括准直器11、聚 焦镜202、双色镜3，谐振腔3还包括双包层有源光纤10，凸透镜对，凸透镜 对包括两个凸透镜2。半导体泵浦激光器1产生的泵浦光通过光学耦合组件2 准直聚焦后耦合进入双包层有源光纤10产生激光，产生的激光经凸透镜对准直 聚焦到拓扑绝缘体可饱和吸收镜6进行锁模，锁模后的激光经原光路返回双包 层有源光纤10进行放大，经放大后的激光通过双包层有源光纤10输出。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。