本发明专利技术公开了一种基于硅量子点薄膜的可饱和吸收器件及其在光纤脉冲激光器中的应用。将具有高三阶非线性系数的硅量子点制成薄膜或者掺杂到基质中形成复合薄膜，并将该薄膜置于具有特定模场参数的单模或者多模光纤之间，利用薄膜的自聚焦特性，该器件可对不同强度的输入光产生不同的透射率、并将该吸收器件应用于光纤脉冲激光器中，实现了调Q和锁模脉冲的方法。本发明专利技术的可饱和吸收器件具有很低的插入损耗、可调控的非线性吸收参数，工作波长可覆盖可见光‑近红外波段，可提高激光器的参数优化范围，从而实现具有优化性能的激光脉冲输出；可应用于光通信、光探测、生物医疗成像、测距和传感等领域。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于非线性光学以及激光
，具体涉及一种基于硅量子点薄膜三阶非线性折射率的可饱和吸收器件及其在光纤脉冲激光器中的应用。
技术介绍
脉冲是指每间隔一定时间才发生一次的工作方式。以脉冲工作方式运转的激光器就是脉冲激光器。这类激光脉冲能量大、切割质量好，在加工类激光产品中属于高端产品，近年来在光通信系统、光电传感、生物医学、精密加工等方面得到了广泛的应用。实现激光脉冲一般有锁模和调Q两种方式。锁模激光器，是输出光脉冲宽度在皮秒量级或更短的激光器的统称（1皮秒=10-12秒），具有峰值功率高、时间灵敏度高等特点。调Q激光器与锁模激光器相比，一般产生脉冲重复频率更低，脉冲持续时间更长，脉冲能量更高。目前产生锁模或调Q激光器一般有主动方式和被动方式两类技术。由于使用被动方式产生脉冲无需外部电控器件，所以成为当前脉冲激光应用的首选技术。以被动方式实现激光脉冲的核心器件称为可饱和吸收体，是一种在激光工作波长具有吸收率随入射光功率增大而减小特征（也称光学可饱和吸收）的非线性光学器件。自聚焦特性的薄膜作为可饱和吸收体，当一个强光场入射薄膜材料后，由于强场与薄膜材料的非线性相互作用，使得薄膜材料的折射率发生改变，即在原来的线性折射率之外又加上非线性折射率，这是光致非线性折射率现象。这种与光强有关的折射率可使光在薄膜材料中传播时产生自聚焦现象，即在入射的强激光电场的作用下，随着光强的增强，折射率随之提高，使得激光束的外缘将向中心偏折。可饱和吸收体是被动锁模的关键，传统的可饱和吸收体，例如有机染料、彩色滤光镜、离子掺杂晶体，有严重的局限性和性能稳定性，缓慢的响应时间、可操作波长短、昂贵的制造和集成方式、低损耗阈值。本专利技术的基于硅量子点薄膜的可饱和吸收器件具有很低的插入损耗、亚皮秒恢复时间、机械性能稳定、环境不敏感、可调控的非线性吸收参数，工作波长可覆盖可见光-近红外波段，从而实现具有优化性能的激光脉冲输出。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于硅量子点薄膜的可饱和吸收器件、制备方法及光纤脉冲激光器应用。将具有高三阶非线性系数的硅量子点制成薄膜或者掺杂到基质中形成复合薄膜，并将该薄膜置于具有特定模场参数的单模或者多模光纤之间，利用薄膜的自聚焦特性，通过增加接收信号端光纤芯径尺寸来调节光损耗，提高激光器的输出效率。同时该器件可对不同强度的输入光产生不同的透射率（即可饱和吸收）、可将该吸收器件应用于可见光-近红外脉冲光纤激光器。为了实现上述目的，本专利技术采取了如下技术方案：一种基于硅量子点薄膜的可饱和吸收器件，通过将具有高三阶非线性系数的硅量子点制成薄膜或者掺杂到基质中形成复合薄膜，并将该薄膜或复合薄膜置于单模或者多模光纤之间，沿着信号光传输方向，信号光输入端为小芯径，输出端为大芯径，形成所述的吸收器件。进一步的，所述的薄膜为nc-Si薄膜，所述的复合薄膜为nc-Si/SiO2镶嵌薄膜。进一步的，小芯径光纤的直径为8-10μm，大芯径光纤的直径为50~100微米。进一步的，所述的nc-Si薄膜的制备步骤如下：首先将衬底n-Si置于10-5Pa真空状态下，利用波长为266nm，功率为3.5W，频率为20Hz的Nd∶YAG激光束对掺铒Si靶均匀烧蚀，产生高浓度的气相Si粒子基团，用氦气作为缓冲气体，Si、Er粒子在缓冲气流作用下沉积在Si衬底表面，经成核、长大、合并继而形成一层含有Er的α-Si薄膜；然后，在氮气保护下，利用600-1000℃的高温快速退火使α-Si晶化形成所述的nc-Si薄膜。进一步的，所述的nc-Si/SiO2镶嵌薄膜的制备步骤如下：首先用氩气(Ar)等离子体对单晶硅衬底或者石英衬底表面进行5-7分钟的预处理，再通过分解硅烷气体来沉积非晶硅子层，通过原位等离子氧化非晶硅来制备二氧化硅子层，如此交替以上非晶硅沉积与原位等离子体氧化两个过程，制备非晶硅/二氧化硅多层薄膜，制备过程中，衬底温度维持在250±5℃；非晶硅生长时间从15秒到40秒之间变化，氧化时间从60秒到180秒；硅烷气体流量是5标准毫升每分钟(sccm)，氧化气体是含量为99.999%的高纯氧气；氧化气体流量是20sccm；对样品进行脱氢处理后，最后利用800-1000℃的高温进行1小时的退火使非晶硅层晶化获得所述的nc-Si/SiO2镶嵌薄膜。本专利技术还提供了将该基于硅量子点薄膜的可饱和吸收器件应用于可见光-近红外脉冲光纤激光器。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果。1、本专利技术的硅量子点薄膜的厚度、层数、硅量子点尺寸大小、薄膜材料的非线性折射率特性由生产过程控制，可获得不同响应波长的具有自聚焦特性的可饱和吸收体。2、本专利技术采用的硅量子点薄膜具有自聚焦特性，在入射的强激光电场的作用下，随着光强的增强，材料折射率随之提高，使得激光束的外缘将向中心偏折，使得信号光损耗大大降低；同时通过增加接收信号端光纤芯径尺寸来降低信号光损耗，大大提高激光器的输出效率。3、本专利技术的基于硅量子点薄膜的可饱和吸收器件具有很低的插入损耗、可调控的非线性吸收参数，工作波长可覆盖可见光-近红外波段，可提高激光器的参数优化范围，从而实现具有优化性能的激光脉冲输出。附图说明图1为实施例1提供的信号光经硅量子点薄膜传输至不同芯径结构图。图2为实施例2提供的环形腔光纤激光器的结构图，其中a、b、c、d为四种不同的实施方式。图3是实施例3提供的线性腔光纤激光器的结构图，其中a、b、c、d为四种不同的实施方式。具体实施方式以下结合附图和实施例对本专利技术作进一步详细说明。实施例1信号光经硅量子点薄膜传输至不同芯径的结构如图1所示。将具有高三阶非线性系数的硅量子点制成nc-Si薄膜或nc-Si/SiO2镶嵌薄膜，并将该薄膜置于具有特定模场参数的单模或者多模光纤之间形成可饱和吸收器件。入射的强激光电场的作用下，随着光强的增强，薄膜材料的折射率随之提高，使得激光束的外缘将向中心偏折；利用材料自聚焦效应，通过增加接收信号光端的光纤芯径，当入射光强较弱时，接收信号端连接大芯径光纤13时，信号光传输损耗低于小芯径光纤12；入射光强足够大时，自聚焦现象使得光传输损耗降低以至为0。一种基于硅量子点薄膜的可饱和吸收器件，制备步骤如下：nc-Si薄膜的制备：首先将衬底n-Si置于真空状态下，激光束对掺铒Si靶均匀烧蚀，产生高浓度的气相Si粒子基团，用氦气作为缓冲气体，Si、Er等粒子在缓冲气流作用下沉积在Si衬底表面，经成核、长大、合并继而形成一层含有Er的α-Si薄膜。然后，在氮气保护下，利用高温快速退火法使α-Si晶化形成nc-Si薄膜。nc-Si/SiO2镶嵌薄膜的制备：首先用氩气(Ar)等离子体对单晶硅衬底或者石英衬底表面进行预处理，再通过分解硅烷气体来沉积非晶硅子层，通过原位等离子氧化非晶硅来制备二氧化硅子层，如此交替以上非晶硅沉积与原位等离子体氧化两个过程，制备非晶硅/二氧化硅多层薄膜。对样品进行脱氢处理后，最后利用高温退火技术使非晶硅层晶化获得纳米硅量子点/二氧化硅(nc-Si/SiO2)多层薄膜材料。其中，nc-Si薄膜的制备：真空为10-5Pa，激光源是Nd∶YAG激光器，波长为266nm，功率为3.5W，频率为20Hz，靶材为掺铒(Er,1%(wt))Si靶，本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于硅量子点薄膜的可饱和吸收器件，其特征在于，通过将具有高三阶非线性系数的硅量子点制成薄膜，并将该薄膜置于单模或者多模光纤之间，沿着信号光传输方向，信号光输入端为小芯径光纤，输出端为大芯径光纤，形成所述的吸收器件。
【技术特征摘要】
1.一种基于硅量子点薄膜的可饱和吸收器件，其特征在于，通过将具有高三阶非线性系数的硅量子点制成薄膜，并将该薄膜置于单模或者多模光纤之间，沿着信号光传输方向，信号光输入端为小芯径光纤，输出端为大芯径光纤，形成所述的吸收器件。2.一种基于硅量子点薄膜的可饱和吸收器件，其特征在于，通过将具有高三阶非线性系数的硅量子点掺杂到基质中形成复合薄膜，并将该复合薄膜置于单模或者多模光纤之间，沿着信号光传输方向，信号光输入端为小芯径光纤，输出端为大芯径光纤，形成所述的吸收器件。3.如权利要求1所述的基于硅量子点薄膜的可饱和吸收器件，其特征在于，所述的薄膜为nc-Si薄膜。4.如权利要求2所述的基于硅量子点薄膜的可饱和吸收器件，其特征在于，所述的复合薄膜为nc-Si/SiO2镶嵌薄膜。5.如权利要求1或2所述的基于硅量子点薄膜的可饱和吸收器件，其特征在于，小芯径光纤的直径为8~10μm，大芯径光纤的直径为50~100微米。6.如权利要求3所述的基于硅量子点薄膜的可饱和吸收器件，其特征在于，所述的nc-Si薄膜的制备步骤如下：首先将衬底n-Si置于10-5Pa真空状态下，利用波长为266nm，功率为3.5W，频率为20Hz的Nd∶YAG激光束对掺铒Si靶均匀烧蚀，产生高浓度的气相Si粒子基团，用氦气作为缓冲气体，Si、Er粒子在缓冲气流作用下沉积在Si衬底表面，经成核、长大、合并继而形成一层含有Er的α-Si薄膜；然后，在氮气保护下，利用600-1000℃的高温快速退火使α-Si晶化形成。7.如权利要求4所述的基于硅量子点薄膜的可饱和吸收器件，其特征在于，所述的nc-Si/SiO2镶嵌薄膜的制备步骤如下：首先用氩气等离子体对单晶硅衬底或者石英衬底表面进行5-7分钟的预处理，再通过分解硅烷气体来沉积非晶硅子层，通过原位等离子氧化非晶...
【专利技术属性】
技术研发人员：高延祥，姜喆，
申请(专利权)人：南京诺派激光技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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