Duże energetyczne impulsy laserowe o wysokim współczynniku powtarzalności z wykorzystaniem lasera półprzewodnikowego Q z przełączaniem Q

Abstrakcyjny: Pokazaliśmy, że grafen może być użyty jako skuteczny nasycalny absorber do laserów półprzewodnikowych z przełączaniem Q. Absorbujące lustro nasycone grafenem zostało wytworzone z pozbawionych arkuszy grafenowych o dużej i wysokiej jakościzłuszczanie w fazie ciekłej. Za pomocą tego lustra impulsy 105-ns i średnia moc wyjściowa 2,3-W są uzyskiwane z biernego lasera Nd: GdVO4 z przełączaniem Q. Maksymalna energia impulsu wynosi 3,2 μJ. Wydajność nachylenia wynosi aż 37%w przybliżeniu do 40% lasera o kontynuowanej fali, co wskazuje na niewielką wewnętrzną utratę grafenu.

  1. Wstęp

  Przełączanie Q, znane również jako gigantyczne tworzenie impulsów, umożliwia produkcję impulsów świetlnych o ekstremalnie wysokiej mocy szczytowej, znacznie wyższej niż energia generowana przez ten sam laser, gdyby działała w trybie fali ciągłej. Ta technikaznajduje zastosowanie w przemyśle i nauce wymagające wysokiej energii impulsu, takie jak medycyna, geochemia i przetwarzanie materiałów. Wcześniej pasywne lasery z przełączaniem Q z pochłaniaczami półprzewodnikowych nasycalnych absorberów (SESAM) jako Q-Elementy przełączające zostały aktywnie zgłoszone [1-4]. Jednak te SESAM wymagają złożonego wytwarzania i pakowania, które ograniczają ich powszechne stosowanie [5]. Dlatego bardzo ważne jest, aby wyszukać nowe nasycalne materiały absorpcyjne niskim kosztem, szerokimpasmo absorpcji i mała utrata wewnętrzna.

  Ostatnie postępy pokazują, że grafen może być wykorzystywany jako element modulacji w laserze pulsacyjnym. Grafen ma wyraźne zalety w stosunku do konwencjonalnych absorberów nasyconych półprzewodnikowych w ultraszybkiej fotonice, takich jak ultraszybka dynamika nośnika[6,7], duża absorpcja optyczna i głębokość modulacji [8,9]. Głębokość modulacji jest większa niż 66,5% dla warstw trzech warstw grafenowych i prawie liniowo spada wraz ze wzrostem warstw [8]. Duża głębokość modulacji jestkorzystne dla krótkich impulsów [10]. A sterowalna głębokość modulacji pozwala dostosować czas trwania impulsu. Wcześniejsze prace dowiodły, że grafen jest doskonałym nasycalnym absorberem w laserach światłowodowych z modulacją i laserami półprzewodnikowymi[8,11-15]. Niedawno odnotowano także zmianę Q grafenu. Yu i wsp. Uzyskali 151,2-nJ energii pojedynczego impulsu i 161-ns czasu trwania impulsu z lasera Nd: YAG przełączanego Q przez grafen hodowany na węgliku krzemu [16]. Popa i in.wykazał działanie grafenowego lasera włóknowego Q z przełączaniem Q z pojedynczą energią impulsu 40 nJ przy 1,5 μm [17]. Tutaj przedstawiamy raport dotyczący zastosowania nasycalnego absorbera absorpcyjnego (SAM) opartego na grafenie w pompowanej diodowo biernieprzełącznik Nd: laser GdVO4. Energia impulsu 3,2-μJ i czas trwania impulsu 105-ns są uzyskiwane przy stabilnej operacji przełączania Q.

  2.Przygotowanie i charakterystyka grafenu

  Aby uzyskać arkusze grafenowe o wielkości dziesiątek mikronów, przed złuszczaniem poddaliśmy obróbce ekstrakt złuszczonego grafitu (WEG) za pomocą utleniacza. Złuszczony grafit został wstępnie utleniony w mieszaninie stężonego kwasu siarkowego,peroksodisiarczan potasu, tlenek fosforu (P2O5) w temperaturze 90 ° C z mieszaniem. Po upływie 4 godzin mieszaninę wylano do dużej zlewki zawierającej nadmierną dejonizowaną wodę, a następnie przesączono i przemyto do pHfiltrat był prawie neutralny. Tak otrzymany grafit suszono w 80 ° C przez 24 godziny. Wysuszony grafit poddano działaniu ultradźwięków w 1-metylo-2-pirolidynonie (NMP) w zamkniętej szklanej fiolce na 2 godziny. Powstała dyspersja została pozostawionaprzez 3 dni, aby strącić wszelkie nierozpuszczalne cząstki. Roztwór supernatantu zebrano w celu scharakteryzowania. Przeznaczono skaningowy mikroskop elektronowy (SEM) i transmisyjną mikroskopię elektronową o wysokiej rozdzielczości (HRTEM)scharakteryzować produkt. Arkusze grafenowe o rozmiarach bocznych powyżej 20 μm wyraźnie widać na rys. 1 (a) i 1 (b). Schemat dyfrakcji elektronowej wybranego obszaru (SEAD) na rysunku 1 (c) pokazuje typową sześciokrotną symetrię oczekiwaną dlagrafit / grafen. Intensywność wzoru sugeruje również, że obszar jest jednowarstwowym grafenem z uwagi na fakt, że stosunek intensywności I {1100} / I {2110} > 1 jest unikalną cechą monowarstwowego grafenu [18]. Krawędziowy obrazgrafen na ryc. 1 (d) wskazuje interakcję między grafenem a 0,34 nm.

Rys. 1. (a) Obrazy SEM arkuszy grafenowych. (b) obrazy HRTEM arkuszy grafenowych.

(c) Wzór SEAD pokazuje sześciokrotną symetrię obrotową (d) obraz grafenu HRTEM

krawędź, gdzie obserwuje się prążki, a interlaminarny odstęp wynosi 0,34 nm.

  3. Wyniki i dyskusja

  Arkusze grafenowe powlekano bezpośrednio wirowo na płaskiej powierzchni odbijającej szkła BK7 pokrytej warstwami dielektrycznymi SiO2 / TiO2, która miała współczynnik odbicia ~ 95% z szerokim pasmem, jak na Fig. 2 (a). Transmisja grafenu SAM jestmierzone w różnych miejscach. Krzywe wartości maksymalnych i minimalnych podano odpowiednio na rysunku 2 (a). Transmisja grafenu SAM może być opisana jako

T=T (1-za)n

  gdzieTo, za,a n oznacza początkową transmisję substratu, absorpcję pojedynczego grafenu i liczbę powleczonych warstw grafenu, odpowiednio. Zmierzona transmisja mieści się w zakresie od około 95,2% do 96,1% przy 1063nm. Można zatem wywnioskować, że warstwy powleczonego grafenu mieszczą się w zakresie od 2 do 10.

  Schematyczny układ lasera z przełączaniem Q przedstawiono na fig. 2 (b). Wykorzystano rezonator dwudźwiękowy o długości 17 mm, aby ocenić działanie grafenu SAM. Pożywka wzmacniająca miała wymiar 3 x 3 x 5 mm3 Nd: GdVO4 z Nd3 +poziom dopingu 0,5%. Aby usunąć nagromadzone ciepło, owinęliśmy kryształ folią indową i zamontowaliśmy go w miedzianym radiatorze o temperaturze utrzymywanej na poziomie 21 ° C przez chłodzenie wodne. Kryształ został przepompowany przez laser sprzężony z włóknemukład diod emitujących przy 808 nm o średnicy 400 μm i 0,22 w aperturze numerycznej. Sprzęgacz wejściowy był wklęsłym lustrem o promieniu krzywizny 200 mm. Był to antyodbici powlekany przy 808 nm i powlekany z wysokim współczynnikiem odbicia przy 1063nm.

Rys. 2. (a) Widma emisyjności substratu BK7 i grafenu SAM. (b) Eksperymentalna konfiguracja lasera z przełączaniem Q.

(c) Średnia moc wyjściowa w funkcji mocy padającej pompy dla pracy z falami stałymi i przełączaniem Q (Q-S).

 (d) Szerokość impulsu i częstotliwość powtarzania w funkcji mocy padającej pompy dla operacji przełączania Q.

  Początkowo badaliśmy działanie lasera ciągłego (CW) Nd: GdVO4 z odbłyśnikiem BK7 (takim samym jak substrat grafenu SAM) jako łącznikiem wyjściowym. Operacja lasera została zrealizowana przy progowej mocy pompy wynoszącej0,18 W. Moc wyjściową przedstawiono na rys. 2 (c) w zależności od mocy pompy padającej (Pin). Moc wyjściową 2,5 W uzyskano przy mocy pompy padającej równej 6,5 W, uzyskując wydajność optyczno-optyczną 38% i nachyleniewydajność 40%. Podczas eksperymentu nie zaobserwowano przełączania z funkcją Q-Q. Emisja lasera wyśrodkowana przy 1063 nm z pełną szerokością w połowie maksimum (FWHM) ~ 0,8 nm. Wyniki te ujawniły dobre właściwości laserowe naszego Nd: GdVO4.

  Kiedy grafenowy SAM zastąpiono odbłyśnikiem BK7, jak pokazano na rys. 2 (b),Impulsowa oscylacja lasera została osiągnięta, gdy tylko padająca moc pompy przekroczy próg 0,22 W. Zależność między średnią mocą wyjściową i mocą pompy padającej jest przedstawiona na Fig. 2 (c). Można zauważyć średniąmoc wyjściowa wzrasta liniowo wraz z mocą pompy padającej. Nie zaobserwowano nasycenia pompy, nawet jeśli padająca moc pompy wzrosła do 6,5 W. Pod tą padającą mocą pompy uzyskano średnią moc wyjściową 2,3 W, nieznacznieniższy niż w warunkach fali ciągłej o współczynnik 8%. Odpowiednia efektywność optyczno-optyczna i nachylenia wyniosła odpowiednio 35% i 37%. Tak dobry wynik oznacza, że ​​wewnętrzna utrata grafenu jest na poziomiebardzo niski poziom. Szerokość impulsu (τ) i częstotliwość powtórzeń (f) w zależności od mocy padającego incydentu zostały zarejestrowane przez oscyloskop cyfrowy i przedstawione na ryc. 2 (d). Rysunek pokazuje szybki spadek z 1435 ns do minimum danych 105 nsw szerokości impulsu ze wzrostem mocy pompy od progu do 6,5 W, podczas gdy zaobserwowano wzrost częstotliwości powtarzania z 305 do 704 kHz. Wysoki wskaźnik powtórzeń może być spowodowany ultraszybkim czasem relaksacji grafenu (0,4 ~ 1,7ps [7]) i stosunkowo duży stymulowany przekrój emisji Nd: GdVO4. [19]. Zgodnie ze średnią mocą wyjściową i częstością powtarzania impulsów, maksymalna energia pojedynczego impulsu 3,2 μJ została zrealizowana przy mocy pompy padającej5,3 W. Należy jednak podkreślić, że szerokość impulsu i częstotliwość powtarzania na Rys. 2 (d) przy mocy pompy padającej poniżej 2,9 W są przybliżoną wartością średnią, ponieważ w tym rejonie pompy operacja przełączania Q byładaleko od stabilnego (ciąg impulsów pod pompą o mocy 0,9 W jest przedstawiony na rysunku 3 (a) jako przykład). Jest to uzasadnione, biorąc pod uwagę, że grafen nie może być w pełni nasycony przy niskiej mocy wewnątrzwspominającej. Wahaniapomiary mieściły się w granicach ~ 20% wartości średniej. Przełączanie Q stało się stabilnym reżimem przy mocy pompy padającej wyższej niż 2,9 W (jak na Rys. 3 (b) rejestrowanej przy mocy pompy 3,2 W), co odpowiadaintensywność intubacji ~ 0,926 MWcm-2 na arkuszach grafenowych, które były bliskie nasyceniu 0,87 MWcm-2 zgłoszone w ref. [8,12]. Czasowy układ impulsów i profil pojedynczego impulsu o częstotliwości powtarzania 704 kHz iczas trwania impulsu 105 ns uzyskano przy mocy wyjściowej 2,3 W, jak przedstawiono na Fig. 3 (c) i Fig. 3 (d). W eksperymencie stwierdzono, że jakość wiązki jest bliska granicy dyfrakcji. W komercyjnym analizatorze jakości wiązkipromieniowe i styczne M2 zostały zmierzone na 1,16 i1,18 pod maksymalną mocą wyjściową 2,3 W. Emisję długości fali lasera z przełączaniem Q nadal wycentrowano przy 1063 nm, ale FHWM wynosił 1,0 nm, który był nieco szerszy niż 0,8 nm poprzedniego lasera z ciągłą falą. To może byćprzypisane do dwóch powodów. Jednym z nich jest spontaniczne przejście dużej skumulowanej populacji inwersji do niższych poziomów podrzędnych poziomu wzbudzonego. Gdy grafen jest nasycony, przejście z niższych poziomów podrzędnych do poziomu podłożaemitowałoby fotony o dużej długości fali. Druga to skrajnie duża normalna dyspersja grafenu [8].

Rys. 3. Układ impulsów z przełączaniem Q pod pompą padającą o mocy 0,9 W (a),

pod pompą padającą o mocy 3,2 W (b) i mocy pompy padającej równej 6,5 W (c).

(d) 105-węzłowy impulsowy profil Q przy mocy pompy padającej równej 6,5 W.

  W przypadku lasera z funkcją przełączania Q z grafenowym SAM, głębokość modulacji związana z liczbą warstw grafenu odgrywa ważną rolę w czasie trwania impulsu. Duża głębokość modulacji może skrócić czas trwania impulsu. Ponadto niska moc wyjściowaprzepuszczalność jest zwykle korzystna dla magazynowania energii i niskiego progu laserowego. Ale wysoka przepuszczalność mocy wyjściowej jest korzystna dla lasera dużej mocy z punktu widzenia zmniejszenia fluencji wewnątrzwątrowej, aby uniknąć uszkodzenia optycznego iodporny na wiele impulsów. Tak więc przyszły projekt grafenu SAM do generowania impulsów o wysokiej energii przełączanej Q powinien skupiać się na optymalizacji liczby warstw grafenu i przepuszczalności SAM.

4. Wniosek

  W tym artykule wykazano efektywne działanie grafenowego SAM na lasery półprzewodnikowe z przełączaniem Q. Otrzymano 2,3 W średniej mocy wyjściowej i 3,2 μJ energii impulsu. Nasze wyniki pokazują, że grafen może byćzastosowany do generowania stabilnych impulsów o wysokiej energii z częstotliwością powtarzania w zakresie od dziesiątek do setek kHz.