Hétérostructure ReS2/GaAs absorbeur saturable à commutation Q passive laser Nd:YVO4

Introduction

Les technologies de commutation Q passive ont été largement appliquées dans l'industrie, la science médicale et la recherche scientifique en raison de leurs avantages notables en ce qui concerne la structure simple et l'efficacité considérable [1,2,3,4]. Divers matériaux ont été utilisés comme absorbants saturables, le plus courant étant l'absorbeur saturable à semi-conducteurs [5,6,7]. Comparés à SESAM, les matériaux bidimensionnels (2D) présentent un grand potentiel en raison de leur large bande passante, de leur faible coût et de leur fabrication facile. Ces dernières années, des matériaux 2D comme le phosphore noir, le graphène et les dichalcogénures mentaux de transition (TMD) ont été largement adoptés comme SA dans les lasers passifs à commutation Q [8,9,10,11,12]. Parmi ces TMD signalés, tels que MoS₂ , MoSe₂ , et WS₂ , une caractéristique est que son changement de bande interdite indirecte à direct se produit lors du passage de la masse à la monocouche [13, 14].

Contrairement aux TMD mentionnés ci-dessus, ReS₂ a une bande interdite directe, dont la valeur reste ~ 1,5 eV à la fois sous forme massive et monocouche [15]. De plus, les propriétés photoélectriques du ReS₂ sont similaires de la masse à la monocouche [16]. En tant que semi-conducteur, ReS₂ présente une forte absorption non linéaire, de sorte que ReS₂ comme SA a été utilisé expérimentalement dans des lasers solides dans des longueurs d'onde de 1,5 m, 2,8 m et 3 m [17,18,19]. Récemment, ReS₂ à base de substrat de saphir a été signalé comme un absorbeur saturable dans un laser de 1 m [20]. Cependant, le ReS₂ L'absorbeur saturable a été collé au substrat de saphir avec les faibles forces de van der Waals, qui est facilement clivé du substrat [20]. À ce jour, GaAs a été généralement appliqué dans les lasers à solide dopé au Nd pour la commutation Q à 1 μm [21]. Cependant, GaAs peut également être combiné avec d'autres semi-conducteurs dans des hétérostructures, telles que MoS₂ /GaAs, MoSe₂ /GaAs et PtSe₂ /GaAs [22]. Jusqu'à présent, le semi-conducteur à hétérostructure MoS₂ /GaAs SA a été utilisé pour obtenir des impulsions plus courtes [23], nous convainquant que l'hétérostructure similaire pourrait être intéressante pour le fonctionnement pulsé. La technologie de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) peut contrôler avec précision l'épaisseur du dépôt et générer une surface parfaitement adaptée au réseau. En comparaison avec le ReS₂ sur substrat saphir, semi-conducteur ReS₂ Les hétérostructures /GaAs ainsi que les puits quantiques peuvent confiner le porteur et améliorer grandement l'inversion de population. Les performances de l'hétérostructure ReS₂ On peut s'attendre à un absorbeur saturable /GaAs.

Dans cet article, l'hétérostructure semi-conducteur ReS₂ /GaAs est d'abord fabriqué. En tant qu'absorbeur saturable, un Nd:YVO₄ à commutation Q passive le laser à solide a été démontré avec l'hétérostructure ReS₂ /GaAs. En comparaison avec le ReS₂ absorbeur saturable ou absorbeur saturable semi-conducteur GaAs, les performances du laser ont été grandement améliorées avec l'hétérostructure ReS₂ /GaAs absorbeur saturable. Les résultats expérimentaux révèlent que le ReS₂ L'absorbeur saturable /GaAs pourrait être d'un grand intérêt pour le fonctionnement passif de la commutation Q.

Méthodes/Expérimental

Récemment, le ReS₂ L'absorbant saturable est préparé par exfoliation en phase liquide (LPE) en raison de son faible coût. Cependant, ReS₂ monocouche dans notre expérience a été synthétisée par CVD car nous pouvons contrôler avec précision l'épaisseur de ReS₂ . Ici, de la poudre de soufre et du perrhénate d'ammonium (NH₄ ReO₄ ) ont été utilisés comme précurseurs de la croissance. Le ReS₂ monocouche a été cultivée sur une plaquette de saphir propre. Au cours du processus de dépôt, l'argon a été utilisé comme gaz porteur pour le soufre. Ensuite, nous avons transféré le CVD développé ReS₂ monocouche à une plaquette GaAs de 110 μm de profondeur avec une dimension de 10 × 10 mm ² pour constituer l'hétérostructure. La procédure totale a été montrée dans la Fig. 1.

un , b La procédure de fabrication du ReS₂ /Hétérostructure GaAs

Pour s'assurer que le numéro de couche du ReS₂ préparé /Hétérostructure GaAs, nous avons étudié le décalage Raman de l'échantillon préparé (Fig. 2). Le A _g modes situés à 134 et 141 cm ⁻¹ , tandis que le E _g modes situés à 150,7, 160,6, 210,7 et 233 cm ⁻¹ . La différence des pics III-I était de 16,7 cm ⁻¹ , qui était considéré comme monocouche [24].

Spectroscopie Raman de l'hétérostructure ReS₂ /GaAs

La figure 3 montre le schéma du laser à commutation Q passive avec le ReS₂ Absorbeur saturable à hétérostructure /GaAs. Un c-cut Nd:YVO₄ dopé à 0,1% Nd a été utilisé comme cristal laser, dont les dimensions étaient de 3 × 3 × 10 mm ³ . Le laser à commutation Q passive a été pompé à l'extrémité par une diode laser couplée à des fibres à 808 nm. Le faisceau de pompe a ensuite été focalisé dans le cristal avec un module de refocalisation avec un spot sur le milieu à gain de 400 µm de diamètre. Un miroir concave M1 a été utilisé comme miroir d'entrée, qui avait un revêtement antireflet (AR) à 808 nm sur les deux côtés et un revêtement à haute réflexion (HR) à 1064 nm à l'intérieur du résonateur. Le rayon de courbure de M1 était de 200 mm. Un miroir plat M2 a fonctionné comme coupleur de sortie (OC) avec la transmission à 1064 nm de 10 %. Une cavité courte et linéaire d'une longueur d'environ 30 mm s'est formée. Le ReS₂ /GaAs (ou GaAs) a ensuite été inséré dans la cavité fonctionnant comme absorbeur saturable et placé à proximité du coupleur de sortie.

Schéma de la cavité laser à commutation Q

Résultats et discussion

La durée de l'impulsion et le taux de répétition ont été enregistrés avec un oscilloscope numérique à phosphore (DPO 7104C) via une photodiode InGaAs rapide. Comme le montrent les Fig. 4 et Fig. 5, avec l'augmentation de la puissance d'entrée de 0,5 à 2,26  W, la durée d'impulsion du ReS₂ Le laser à commutation Q passive /GaAs a diminué de 322 à 51,3  ns, tandis que le taux de répétition est passé de 139 à 452 kHz. En comparaison, nous avons également mis en place le laser à commutation Q GaAs. On peut voir sur les Figs. 4 et 5 que le ReS₂ L'hétérostructure /GaAs contribue à raccourcir la largeur d'impulsion et à réduire le taux de répétition des impulsions.

Durée d'impulsion du laser Q-switch en fonction de la puissance de pompe incidente

Taux de répétition du laser à commutation Q passive par rapport à la puissance de pompe incidente

La figure 6 montre les profils des impulsions de commutation Q à la puissance de pompage de 2,26  W avec différents absorbants saturables à semi-conducteurs. Les impulsions de sortie avec une largeur d'impulsion de 51,3  ns et une énergie d'impulsion de 465 nJ peuvent être obtenues avec le ReS₂ Absorbeur saturable à hétérostructure /GaAs. En revanche, la durée d'impulsion de sortie du laser GaAs à commutation Q était de 63,2  ns avec une énergie d'impulsion de 435 nJ, ce qui a été montré dans l'image en médaillon. La figure 6 implique également que la symétrie du ReS₂ / L'impulsion Q-switched GaAs est comparativement bien meilleure.

Profil du laser Q-switching basé sur ReS₂ /GaAs ou GaAs à la puissance de pompage incidente de 2,26 W

L'énergie d'impulsion et la puissance de crête par rapport à la puissance de pompage incidente sont illustrées sur la figure 7. Avec l'augmentation de la puissance de pompage, il y a eu une augmentation rapide de la puissance de crête. De plus, la puissance de crête et l'énergie d'impulsion du ReS₂ Les lasers à commutation Q /GaAs sont supérieurs à ceux des lasers à commutation Q à base de GaAs dans les mêmes conditions. Et pour ReS₂ /GaAs Q-switched laser, la puissance de crête maximale de 9,1  W et l'énergie d'impulsion la plus élevée de 465 nJ peuvent être atteintes à une puissance de pompe de 2,26  W.

Énergie d'impulsion (a ) et la puissance de crête (b ) du laser à commutation Q

Nous avons également comparé nos résultats expérimentaux avec les travaux antérieurs [20] avec le ReS₂ absorbant saturable sur le substrat de saphir. La durée d'impulsion la plus courte du ReS₂ Le laser à commutation Q de 1 μm était de 139 ns avec un taux de répétition de 644 kHz, correspondant à une puissance de crête de 1,3  W. En conséquence, l'hétérostructure ReS₂ L'absorbeur saturable /GaAs peut évidemment améliorer les performances du laser, notamment en termes de durée d'impulsion, d'énergie d'impulsion et de puissance de crête, par rapport au ReS₂ Lasers à commutation Q ou lasers à commutation Q GaAs.

Conclusions

En résumé, l'hétérostructure ReS₂ L'absorbeur saturable /GaAs a d'abord été fabriqué. Basé sur le ReS₂ Absorbeur saturable à hétérostructure /GaAs, le Nd:YVO₄ à commutation Q passive laser a été démontré. À la puissance de pompe de 2,26   W, la durée d'impulsion minimale de 51,3  ns avec un taux de répétition de 452 kHz a été atteinte, ce qui correspond à l'énergie d'impulsion la plus élevée de 465 nJ et à la puissance de crête de 9,1   W. Nos résultats confirment que l'hétérostructure ReS2 /GaAs est bénéfique pour améliorer les performances de commutation Q par rapport au semi-conducteur ReS₂ ou des absorbants saturables GaAs.

Abréviations

2D :

Bidimensionnel

RA :

Antireflet

CVD :

Dépôt chimique en phase vapeur

RH :

Haute réflexion

LPE :

Gommage en phase liquide

OC :

Coupleur de sortie

SESAM :

Miroir absorbant saturable semi-conducteur

TMD :

Dichalcogénure mental de transition