阅读说明：本技术 一种基于ws2的可饱和吸收体的制备方法 (Based on WS2Preparation method of saturable absorber ) 是由 杨慧苒 李旭鹏 赵峰 李璐 王利强 杜恭贺 于 2021-07-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于WS-(2)的可饱和吸收体的制备方法,解决了现有技术无法掌控WS-(2)纳米片在微光纤上的分布、制备过程复杂且成功率低的问题,包括步骤：1)制备WS-(2)/PMMA薄膜,将分离的WS-(2)/PMMA薄膜转移至去离子水；2)标准单模光纤中间加热,两端拉制后的单模光纤包括原径段和微光纤段；3)将拉制后的单模光纤固定在干净的载玻片上,潜入浸泡有WS-(2)/PMMA薄膜的去离子水中,又捞起,使WS-(2)/PMMA薄膜包覆于微光纤段上,WS-(2)/PMMA薄膜长度方向垂直于单模光纤轴线；WS-(2)/PMMA薄膜经干燥后,将覆盖有WS-(2)/PMMA薄膜的单模光纤在丙酮溶液中腐蚀掉PMMA；单模光纤从载玻片上挑起,WS-(2)薄膜断裂,WS-(2)薄膜包裹在微光纤段表面,得到具有可饱和吸收体器件。(The invention discloses a method based on WS 2 The preparation method of the saturable absorber solves the problem that the prior art cannot control WS 2 The problems of complicated distribution and preparation processes of the nano sheets on the micro optical fiber and low success rate comprise the following steps: 1) preparation of WS 2 PMMA film, WS to isolate 2 Transferring the PMMA film to deionized water; 2) heating the middle of a standard single-mode optical fiber, wherein the single-mode optical fiber with two ends drawn comprises an original diameter section and a micro optical fiber section; 3) fixing the drawn single mode fiber on a clean glass slide, submerging the single mode fiber in the glass slide with the WS 2 The PMMA film is fished up again in deionized water, so that WS is 2 Coating a PMMA film on a micro-fiber section, WS 2 The length direction of the PMMA film is vertical to the axis of the single-mode optical fiber; WS 2 The PMMA film is dried and covered with WS 2 Etching PMMA off the single-mode optical fiber of the PMMA film in an acetone solution; lifting a single mode fiber from a glass slide, WS 2 Film breakage, WS 2 The film is wrapped on the surface of the micro-fiber section to obtain the device with the saturable absorber。)

一种基于WS2的可饱和吸收体的制备方法

技术领域

本发明涉及可饱和吸收体的制备方法，特别是涉及一种基于过渡金属硫化物(WS₂)实用化可饱和吸收体的制备方法。

背景技术

被动锁模光纤激光器是一种产生超短脉冲的有效方法，它无论在工业领域还是基础研究等方面都有巨大的应用价值。在被动锁模光纤激光器中，可饱和吸收体是一个关键器件。非线性偏振旋转技术与非线性放大环形镜技术等类饱和吸收体已经被广泛的应用于被动锁模激光器中，但是基于这两项技术的锁模激光器对腔内的偏振态要求严格，周围环境的变化对激光器的扰动较大，很难实现锁模脉冲的稳定输出。采用真实的可饱和吸收体，例如碳纳米管、石墨烯、黑磷等，可以一定程度上克服环境变化对激光器的影响，获得稳定的脉冲输出，特别是，近年来，二维过渡金属硫化物材料比如二硫化钨(WS₂)已经受到深入的探究并被认为是一种具有巨大发展潜力的可饱和吸收体材料。

目前，基于WS₂的可饱和吸收体的制备方法主要包括：

1)将WS₂放置在两个光纤连接头之间形成透射式饱和吸收体。由于腔内激光直接穿透作用于WS₂，极易导致WS₂热损伤，从而该方法制备的饱和吸收体不利于产生高能量锁模脉冲。

2)将WS₂薄膜附在D型光纤的D型区制作饱和吸收体。基于该方法制作的可饱和吸收体，其光倏势场与材料之间的相互作用较弱且对光的偏振态比较敏感。

3)将WS₂纳米片溶液通过光学沉积法沉积于微光纤的锥形区制备成可饱和吸收体器件。该制备方法无法掌控WS₂纳米片在微光纤上的分布，导致制备的可饱和吸收体的光学性能不可控。

还有一种基于WS₂的可饱和吸收体的制备方法，其主要步骤包括：

1)用化学气相沉积法(CVD)在蓝宝石基底上制备WS₂/PMMA薄膜；利用氢氧化钾(KOH)溶液将蓝宝石基底与WS₂/PMMA薄膜分离，并转移至载玻片；

2)载玻片放置于三维移动平台上，在显微镜下将WS₂/PMMA薄膜切割成若干块长为100um，宽为30um左右的条状薄膜；

3)通过氢气火焰加热标准单模光纤拉制微光纤，并将其固定在载玻片上；

4)将探针安放在三维移动平台上，用探针把其中一个条状薄膜挑起，显微镜下将其平铺于微光纤的锥形区域；

5)用丙酮将薄膜表面的PMMA腐蚀掉，并用探针将微光纤从载玻片上轻轻的挑起，从而实现WS₂薄膜对微光纤的包裹。

但是，该方法需要三维移动系统以及大景深的显微镜的配合，才能将薄膜裁剪为微米尺寸，因此对实验仪器要求较高，制备过程复杂且成功率低。

发明内容

为解决现有基于WS₂可饱和吸收体制备方法无法掌控WS₂纳米片在微光纤上的分布以及实验要求高、制备过程复杂且成功率低的问题，提出一种WS₂薄膜包裹微光纤可饱和吸收体制备方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于WS₂的可饱和吸收体的制备方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1)制备WS₂/PMMA薄膜

制备WS₂/PMMA薄膜，将分离的WS₂/PMMA薄膜转移至去离子水中进行清洗；

2)制备微光纤段

标准单模光纤中间通过氢气火焰加热，且进行两端拉制，拉制后的单模光纤包括左右两部分的原径段以及中间变形的微光纤段，所述微光纤段包括中部段以及和左右两部分原径段连接的锥形段，所述中部段的轴向尺寸小于WS₂/PMMA薄膜的宽度；中部段为左右两个锥形段之间的部分，相对锥形段，所述中间段的平均直径最小，其轴向的尺寸也可能接近0；

3)制备可饱和吸收体器件

3.1)将拉制后的单模光纤固定在干净的载玻片上，然后将载玻片潜入浸泡有WS₂/PMMA薄膜的去离子水中；

3.2)使WS₂/PMMA薄膜处于拉制后的单模光纤的上方，确保载玻片从去离子水中捞起时，WS₂/PMMA薄膜覆盖于微光纤段的中部段以及靠近部分中部段的锥形段上；

3.3)将载玻片从去离子水中捞起，WS₂/PMMA薄膜包覆于微光纤段的中部段以及靠近中部段的部分锥形段上，且WS₂/PMMA薄膜长度方向与拉制后的单模光纤轴线垂直；

3.4)待WS₂/PMMA薄膜充分干燥后，再将覆盖有WS₂/PMMA薄膜的单模光纤放置丙酮溶液中，直至WS₂/PMMA薄膜表面的PMMA被腐蚀掉；

3.5)将单模光纤从载玻片上轻轻挑起，使WS₂薄膜在挑起的过程中断裂，WS₂薄膜包裹在微光纤段表面，得到具有可饱和吸收体器件。

进一步地，所述步骤1)包括如下步骤：

1.1)用化学气相沉积法在蓝宝石基底上生长WS₂薄膜样品，所述蓝宝石基底的长度为10±1mm，宽度为0.2-0.3mm；

1.2)在WS₂薄膜样品表面涂一层PMMA溶液，使PMMA溶液固化成膜，形成蓝宝石/WS₂/PMMA样品；

1.3)将蓝宝石/WS₂/PMMA样品放入KOH溶液中，然后将蓝宝石基底与WS₂/PMMA薄膜分离；

1.4)用载玻片将WS₂/PMMA薄膜从KOH溶液中转移至去离子水中，直至WS₂/PMMA薄膜表面残留的KOH溶液清洗干净。

进一步地，在步骤3.4)WS₂/PMMA薄膜充分干燥后，还包括的加热步骤：对WS₂/PMMA薄膜包裹微光纤段进行加热，直至WS₂/PMMA薄膜与载玻片之间的空隙不再减小。

进一步地，所述步骤3.5)中采用探针将微光纤段从载玻片上轻轻的挑起；所述探针是通过火焰加热标准单模光纤，并将其快速拉断制备而成。

本发明的有益效果是：

1、现有技术中需要对薄膜进行微米级裁剪，以便对微光纤段的中部段进行精确包裹，以减少饱和吸收体的损耗。本发明无需对薄膜进行微米级裁剪，只需选择合适的蓝宝石基底尺寸，就可以直接使用该相应尺寸的薄膜，且最后的断裂工序将多余的大部分薄膜都留在了载玻片上，减少了重叠区域。因此，虽然本发明通过大尺寸薄膜对微光纤段进行了包裹，导致可饱和吸收体的损耗有所增加，但是本发明方法不再需要三维移动平台和大景深的显微镜，也无需对薄膜进行微米级裁剪，降低了制备难度，大幅提高了产品合格率，满足了用户需求。

2、本发明所提供的饱和吸收体的制备方法，创新的利用WS₂薄膜与加热器，通过加热使得薄膜与载玻片之间的粘附力增强，在后续的丙酮溶液溶解PMMA薄膜的时候不易被冲掉；另外，加热减小了薄膜与载玻片之间的空隙，可最大程度减小薄膜包裹微光纤时的薄膜重叠的面积。因此，本发明方法有效的实现了材料对微光纤的全表面包裹，增加了材料与光倏逝场的接触面积，并最大限度降低了饱和吸收体的损耗，提高抗激光损伤阈值，进而提高了脉冲激光器的输出功率。

附图说明

图1为本发明实施例的步骤1)流程示意图；

图2为本发明实施例的步骤3)中WS₂/PMMA薄膜10覆于微光纤段的示意图；

图3为本发明实施例中WS₂薄膜1对微光纤的包裹的示意图；

图中：1-WS₂薄膜，2-蓝宝石基底，3-PMMA薄膜，4-KOH溶液，5-去离子水，6-载玻片，7-原径段，8-胶带，9-微光纤段，10-WS₂/PMMA薄膜。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

该WS₂薄膜包裹微光纤可饱和吸收体制备方法步骤如下：

1)制备WS₂/PMMA薄膜

如图1所示，采用化学气相沉积法(CVD)在蓝宝石基底2(尺寸为10×0.2mm²)上生长WS₂薄膜样品1，在WS₂薄膜样品表面旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)溶液；在室温下放置4小时，使PMMA固化成膜，形成三层层状结构的蓝宝石/WS₂/PMMA样品，PMMA薄膜3作为保护介质，防止WS₂薄膜1在后续处理中被损坏；将蓝宝石/WS₂/PMMA样品放入氢氧化钾KOH溶液4中，常温下放置24小时，然后将蓝宝石基底2与WS₂/PMMA薄膜分离；用载玻片将WS₂/PMMA薄膜从KOH溶液4中转移至去离子水5中，静置30分钟，再次将WS₂/PMMA薄膜转移至干净的去离子水5中，静置30分钟，如此反复4次，确保将WS₂/PMMA薄膜表面残留的KOH溶液清洗干净；

2)制备微光纤段

通过氢气火焰加热标准单模光纤中间，两端拉制，拉制后的单模光纤包括左右两部分的原径段7以及中间变形的微光纤段，所述微光纤段包括中部段以及和左右两部分原径段连接的锥形段；作为左右两个锥形段之间的部分，中部段平均直径最小，为2-4μm，且其轴向尺寸小于WS₂/PMMA薄膜的宽度；

3)制备可饱和吸收体器件

如图2所示，原径段7用胶带8固定在干净的载玻片6上，这样，拉制后的单模光纤就固定在干净的载玻片上，将该载玻片6潜入步骤1)浸泡有WS₂/PMMA薄膜的去离子水5中，左右移动该载玻片6，调节微光纤段与WS₂/PMMA薄膜10的相对位置，使WS₂/PMM薄膜处于拉制后的单模光纤的上方，慢慢移动使微光纤段的中部段与WS₂/PMMA薄膜10的中间位置基本对其，且WS₂/PMMA薄膜10长度方向与微光纤段轴线垂直，接着从去离子水5中慢慢捞起载玻片6，WS₂/PMMA薄膜10包覆于微光纤段的中部段和靠近中部段的部分锥形段；将捞起的载波片6放置于空气中，使WS₂/PMMA薄膜包裹微光纤段自然蒸发约2小时，待WS₂/PMMA薄膜10充分干燥，然后将该覆盖有WS₂/PMMA薄膜的单模光纤放置于加热器上，150度下加热30分钟，减小WS₂/PMMA薄膜10与载玻片6之间的空隙，直至间隙不再减小，这样做可以增加WS₂/PMMA薄膜10与载玻片6之间的粘附力；将该覆盖有WS₂/PMMA薄膜的单模光纤放置于丙酮溶液中两分钟，WS₂/PMMA薄膜10表面的PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)被腐蚀掉，然后用探针将微光纤段从载玻片6上轻轻的挑起，在挑起的过程中WS₂薄膜1断裂，由于吸附力的作用，如图3所示，实现了WS₂薄膜1对中部段以及靠近中部段的锥形段的包裹，得到基于WS₂的可饱和吸收体，其中所使用的探针是通过火焰加热标准单模光纤，并将其快速拉断制备而成。

采用该制备方法的可饱和吸收体器件的优点：

1)插入损耗小：在微光纤段直径为2μm时，仍可保证可饱和吸收器件的低损耗要求；

2)光损伤阈值高：该方法制备的可饱和吸收体器件利用光的倏势场与材料之间的相互作用，极大的增加了可饱和吸收器件的光损伤阈值；

3)光与材料作用面积大：该方法可以实现WS₂薄膜包裹微光纤，充分利用微光纤的有效面积，增强光与WS₂薄膜的相互作用。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并非对本发明技术方案的限制，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。