[发明专利]可饱和吸收复合材料墨水、制备方法及基于该墨水的光纤激光器

说明书

技术领域

本发明属于激光和光电子器件领域，涉及一种可饱和吸收复合材料墨水、制备方法及基于该墨水的光纤激光器。

背景技术

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。可饱和吸收体根据材料的不同，可具有多种不同器件结构和形态。目前比较成熟的可饱和吸收体是半导体可饱和吸收镜（SESAM）技术，其主要为依赖分子束外延（molecular beam epitaxy）制备而成的III-V族化合物（如InGaAs, InP以及相关材料）多量子阱结构[1]。但在实际应用中，却存在着光谱带宽受限、耦合难度大、损伤阈值低等一系列问题。

近年来，多种低维量子材料，如单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、石墨烯、半导体纳米晶（也称半导体量子点）、金属纳米晶（也称金属纳米颗粒）、拓扑绝缘体纳米晶（也称拓扑绝缘体微片）等材料相继被发现具有光学可饱和吸收特性，并被应用在光纤激光器中产生脉冲激光。与传统的SESAM技术相比，低维量子材料可饱和吸收体具有更优秀的光学特性。目前该类基于低维量子材料的可饱和吸收体制备主要通过以下两种方法：（1）直接喷涂材料的固体粉末到光学元件上形成薄膜[8，9]；（2）将材料分散到高分子或玻璃基质中形成独立的固态薄膜器件，并进而耦合到激光器的中。目前这两种可饱和吸收器件制备技术具有多种局限。例如：利用固体粉末喷涂方式制备的器件，往往会导致纳米材料形成具有尺寸在激光器工作波长量级或者更大的聚集体（aggregate），这种聚集体的出现，可急剧增大可饱和吸收器件的散射损耗，同时更容易对器件产生光学损伤，限制了激光器的输出功率、稳定性和使用寿命。将材料分散到高分子或玻璃基质中形成固态薄膜器件虽然可以降低聚集体的影响，但是由于所制备的可饱和吸收体是独立光学元件，故其与激光器内其他元件耦合需要光学胶水，或者通过一组光学透镜等元件完成，这些元件间的相对位移对激光的可靠性和设计灵活性都带来了很大的限制。更为重要的是，目前已报道的低维量子材料可饱和吸收器件仅含有一种可饱和吸收材料，所以其非线性吸收的参数，如恢复时间、调制深度（低输入功率和高输入功率时，器件光透射率的变化）通常为该单一可饱和吸收材料的本征光学属性所决定，因而不能被很灵活地控制，严重限制了基于这些器件的脉冲激光器的参数优化范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可饱和吸收复合材料墨水、制备方法及基于该墨水的光纤激光器，将低维量子材料（包括单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、石墨烯、石墨烯纳米带、石墨烯量子点、半导体纳米晶、金属纳米晶、拓扑绝缘体纳米晶）制备成具有光学可饱和吸收特性的复合材料墨水的方法；并提供了将该复合材料墨水，沉积于光纤激光器元件上实现锁模或者调Q脉冲。

其中低维量子材料可分为碳基纳米材料和非碳基纳米晶两类。碳基纳米材料可包括单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、石墨烯（也包括氧化石墨烯、还原氧化石墨烯）、石墨烯纳米带、石墨烯量子点；非碳基纳米晶可包括半导体（硫化钼、硫化钨、硒化钼、硒化钨、碲化钼、碲化钨、硫化铅、硫化镉、硫硒化镉）纳米晶、金属（金、银、铝）纳米晶、拓扑绝缘体（硒化铋、碲化铋、碲化銻）纳米晶。制备本发明所述的复合材料墨水，两种或者多种低维量子材料可全部为碳基纳米材料，也可为碳基纳米材料和非碳基纳米晶材料的组合。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种可饱和吸收复合材料墨水，包括具有光学可饱和吸收特性的低维量子材料和不具有光学可饱和吸收特性的水溶性高分子材料，其中低维量子材料的浓度为0.01g/L-5g/L，水溶性高分子的浓度为10g/L-200g/L，低维量子材料至少包含一种碳基纳米材料；其中碳基纳米材料占低维量子材料质量的1%-100%。