[发明专利]一种可调控的掺杂纳米晶可饱和吸收体及其制备方法

说明书

本发明公开了一种可调控、结构紧凑、工艺简单、周期短、生产成本低、用于红外激光器中，基于掺杂纳米晶的可饱和吸收体及其制备方法。该可调控掺杂纳米晶可饱和吸收体可对入射激光实现减反射的同时，还可以实现对红外激光的可饱和吸收，通过改变外加电场、温度场和膜层中的掺杂纳米晶粒的尺寸，可以调控激光器的输出性能。本发明所述的可调控的掺杂纳米晶可饱和吸收体主要由折射率2.5~3且掺杂有过渡金属离子的Ⅱ‑Ⅵ族化合物材料和折射率为1.3~2的氟化物材料组成。该可饱和吸收体性能稳定、便于调控，结构紧凑简单、损耗低、损伤阈值高，可用于高功率激光器中，输出可调控的高峰值功率调Q脉冲。

技术领域

本发明属于激光器件领域，具体涉及到一种可调控的掺杂纳米晶可饱和吸收体的制备方法，属于调Q脉冲固体激光器可饱和吸收体制备技术领域。

背景技术

调Q脉冲激光广泛运用于生物医疗、军事、环境监测、工业加工等领域中，引起了极大的研究兴趣。

利用具有非线性特性的可饱和吸收体，可以实现对激光的调制，输出调Q脉冲。较常用的可饱和吸收体主要有石墨烯、单壁碳纳米管、拓扑绝缘体、过渡金属二硫化物以及传统的半导体可饱和吸收镜（SESAM）等，但都有不足之处：石墨烯的光损伤阈值较低；单壁碳纳米管要达到对某一波长吸收的需求，需要控制其管径以及手性等特性，而且易聚集成束，分散困难，严重影响其光学性能；拓扑绝缘体、过渡金属二硫化物等因为损伤阈值不高，也难以实现高峰值功率脉冲激光输出；SESAM制备工艺复杂、生产成本高、损伤阈值低。而Ⅱ-Ⅵ族化合物材料不仅具有较高的损伤阈值，而且通过掺杂不同的过渡金属(transitionmetal, TM)离子之后，在红外光谱范围内具有特定的吸收，可应用于激光器中对相应波段的红外激光进行调制，实现红外调Q脉冲激光输出。而且通过对器件施加一定的电场、温度场以及调控掺杂薄膜中纳米晶粒的大小，还可以实现对输出脉冲特性的调控。

研制出能用在红外激光器领域中，而且输出脉冲性能可调控、结构紧凑、制备工艺简单、生产成本低廉、损伤阈值高的可饱和吸收体，对于红外调Q脉冲激光领域的发展具有重要的推动作用。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种掺杂有过渡金属离子，能用于红外领域，而且具有较高损伤阈值的可饱和吸收体，可用于红外调Q激光器中。

本发明的另一个目的是提供一种结构紧凑、工艺过程简单的制备方法，直接在高折射率膜层中掺杂一定浓度范围的过渡金属离子，由该掺杂膜层和低折射率膜层组成红外增透膜，用于制备上述掺杂纳米晶可饱和吸收体。

本发明的再一个目的是提供一种可调控的掺杂纳米晶可饱和吸收体的制备方法，通过改变电场、温度场以及膜层中掺杂纳米晶粒的大小，实现对输出脉冲激光性能的调控。

针对本发明的第一个目的，本发明提供的一种可调控的掺杂纳米晶可饱和吸收体制备方法，其构成包括基底和镀在所述基底两面的增透膜。所述基底材料可以是氟化物、Ⅱ-Ⅵ族化合物、硅、锗和蓝宝石玻璃等；所述增透膜为λ/4双层增透膜系，由高低折射率交替的周期性多层膜构成，增透膜的总厚度不小于500 nm。

针对本发明的第二个目的，本发明所述的可饱和吸收体以过渡金属离子掺杂的高折射率膜层作为可饱和吸收体，可以实现对红外激光光强的调制，协助激光器实现调Q；该过渡金属离子掺杂的高折射率膜层材料为TM²⁺:H，即以高纯Ⅱ-Ⅵ族化合物材料和高纯过渡金属材料为原料，利用电子束蒸镀法，制备得到多层薄膜构成增透膜。掺杂的过渡金属离子浓度范围为1×10¹⁷~1×10¹⁹ /cm³。

针对本发明的第三个目的，本发明提供的可调控的掺杂纳米晶可饱和吸收体及其制备方法，通过调整施加的电场、温度场以及高折射率膜层中掺杂纳米晶粒的大小，可以对输出脉冲实现调控。

本发明提供的上述可调控的掺杂纳米晶可饱和吸收体的制备方法，主要包括以下步骤：