Absorbeur saturable hétérostructure ReS₂/GaAs pour laser Nd:YVO₄ Q-switché passivement ultra-rapide

Résumé

Nous rapportons la première fabrication d'une hétérostructure ReS₂/GaAs par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et son déploiement comme absorbeur saturable (SA) dans un laser Nd:YVO₄ Q-switché passivement. Le dispositif atteint une largeur d'impulsion record de 51,3 ns à un taux de répétition de 452 kHz, délivrant 465 nJ par impulsion et une puissance de crête de 9,1 W. Comparé aux SA à matériau unique (ReS₂ ou GaAs), l'hétérostructure fournit des impulsions plus courtes et une énergie d'impulsion plus élevée, confirmant sa performance supérieure pour le Q-switching à haute efficacité.

Introduction

Le Q-switching passif reste une technologie clé pour générer des impulsions laser de haute énergie et courte durée dans les applications industrielles, médicales et de recherche. Les miroirs absorbeurs saturables à semi-conducteurs (SESAM) conventionnels offrent d'excellentes performances mais sont limités par leur coût élevé et leur bande passante étroite. Les matériaux bidimensionnels (2D) tels que le graphène, le phosphore noir et les dichalcogénures de métaux de transition (TMD) sont apparus comme alternatives prometteuses, offrant une opération à large bande, un faible coût et une fabrication aisée.

Parmi les TMD, le ReS₂ se distingue car il conserve un gap direct (~1,5 eV) à la fois dans les formes massiques et monocouches, et sa réponse photoélectrique est remarquablement cohérente à travers les épaisseurs. Des travaux antérieurs ont démontré des SA ReS₂ dans des lasers à état solide à 1,5 µm, 2,8 µm et 3 µm, et récemment un SA ReS₂ sur saphir à 1 µm. Cependant, l'adhérence faible de Van der Waals au saphir limite la robustesse du dispositif. Le GaAs, couramment employé dans les lasers dopés Nd, peut être intégré avec d'autres semi-conducteurs pour former des hétérostructures (par exemple, MoS₂/GaAs) qui améliorent le confinement des porteurs et améliorent la performance du SA.

Dans cette étude, nous synthétisons une hétérostructure ReS₂/GaAs en transférant du ReS₂ cultivé par CVD sur un wafer GaAs de 110 µm d'épaisseur. Nous évaluons ensuite sa performance comme SA dans un laser Nd:YVO₄ et la comparons aux SA ReS₂ et GaAs conventionnels.

Méthodes / Expérimental

Les monocouches de ReS₂ ont été synthétisées par CVD en utilisant des précurseurs de soufre et de perrhénate d'ammonium sur un substrat de saphir propre. La monocouche résultante a été transférée sur un wafer GaAs de 10 × 10 mm², 110 µm d'épaisseur (découpé selon l'orientation (111)) pour former l'hétérostructure (voir Fig. 1). La spectroscopie Raman a confirmé l'épaisseur monocouche via les modes A_g caractéristiques à 134 et 141 cm⁻¹ et les modes E_g à 150,7, 160,6, 210,7 et 233 cm⁻¹, avec une séparation de pic III-I de 16,7 cm⁻¹.

Figure 1. (a) Schéma du processus de croissance CVD ; (b) Transfert de ReS₂ sur wafer GaAs.

La cavité laser consistait en un cristal Nd:YVO₄ c-cut dopé à 0,1 % (3 × 3 × 10 mm³) pompé par une diode laser à fibre couplée à 808 nm. Un spot de pompe de 400 µm était focalisé dans le cristal. Le résonateur utilisait un miroir d'entrée concave (rayon 200 mm, HR à 1064 nm, AR à 808 nm) et un coupleur de sortie plat (10 % de transmission à 1064 nm). Le SA ReS₂/GaAs (ou GaAs) était positionné près du coupleur de sortie à l'intérieur de la cavité d'environ 30 mm de long (voir Fig. 3).

Figure 2. Spectres Raman de l'hétérostructure ReS₂/GaAs.

Figure 3. Schéma de la cavité laser Q-switchée.

Résultats et discussion

Les caractéristiques d'impulsion ont été enregistrées avec une photodiode InGaAs rapide et un oscilloscope numérique. À mesure que la puissance de pompe augmentait de 0,5 à 2,26 W, la durée d'impulsion raccourcissait de 322 ns à 51,3 ns, tandis que le taux de répétition augmentait de 139 kHz à 452 kHz (Fig. 4-5). Le SA hétérostructure surpassait systématiquement les SA ReS₂ et GaAs autonomes, produisant les impulsions les plus courtes et les taux de répétition les plus bas.

Figure 4. Durée d'impulsion versus puissance de pompe incidente.

Figure 5. Taux de répétition versus puissance de pompe incidente.

À la puissance de pompe la plus élevée (2,26 W), le SA hétérostructure a produit des impulsions de 51,3 ns avec 465 nJ d'énergie et une puissance de crête de 9,1 W (Fig. 6). En revanche, le SA GaAs a délivré des impulsions de 63,2 ns à 435 nJ. La symétrie de la forme d'impulsion était également améliorée avec l'hétérostructure.

Figure 6. Profils d'impulsion pour SA ReS₂/GaAs et GaAs à 2,26 W.

La puissance de crête et l'énergie d'impulsion en fonction de la puissance de pompe sont montrées dans la Fig. 7. Le SA ReS₂/GaAs atteignait systématiquement des valeurs plus élevées que le SA GaAs sous des conditions identiques.

Figure 7. (a) Énergie d'impulsion ; (b) Puissance de crête versus puissance de pompe.

Comparé à un SA ReS₂ sur saphir (139 ns impulsions à 1,3 W de puissance de crête), l'hétérostructure démontre une performance nettement supérieure sur tous les indicateurs clés.

Conclusions

Nous avons fabriqué avec succès un SA hétérostructure ReS₂/GaAs et l'avons intégré dans un laser Nd:YVO₄ Q-switché passivement. À 2,26 W de puissance de pompe, le laser a atteint des impulsions de 51,3 ns, un taux de répétition de 452 kHz, une énergie d'impulsion de 465 nJ et une puissance de crête de 9,1 W – surpassant les SA ReS₂ et GaAs conventionnels. Ces résultats confirment que les hétérostructures ReS₂/GaAs sont hautement efficaces pour les applications de Q-switching à haute performance.

Abréviations

2D

Bidimensionnel

AR

Antireflet

CVD

Dépôt chimique en phase vapeur

HR

Haute réflexion

LPE

Exfoliation en phase liquide

OC

Coupleur de sortie

SESAM

Miroir absorbeur saturable à semi-conducteur

TMD

Dichalcogénure de métal de transition