Heteroestrutura ReS2 / GaAs Saturable Absorber Passivamente Q-Switched Nd:YVO4 Laser

Resumo

Heteroestrutura ReS ₂ / GaAs foi fabricado em um wafer de 110 μm (111) GaAs pelo método de deposição de vapor químico. Nd comutado passivamente Q:YVO ₄ laser foi demonstrado através do emprego de heteroestrutura ReS ₂ / GaAs como absorvedor saturável (SA). A menor largura de pulso de 51,3 ns com taxa de repetição de 452 kHz foi obtida, correspondendo à energia de pulso de 465 nJ e a potência de pico de 9,1 W. Em comparação com o ReS ₂ Laser Q comutado e o laser GaAs Q comutado, o heterostructer ReS ₂ / GaAs Q-comutado laser pode gerar uma duração de pulso mais curta e uma energia de pulso mais alta.

Introdução

As tecnologias de comutação Q passiva têm sido amplamente aplicadas na indústria, ciência médica e pesquisa científica por causa de suas vantagens perceptíveis com relação à estrutura simples e eficiência considerável [1,2,3,4]. Vários materiais têm sido utilizados como absorvedores saturáveis, sendo o mais comum o absorvedor saturável semicondutor [5,6,7]. Em comparação com o SESAM, os materiais bidimensionais (2D) apresentam grande potencial devido à ampla largura de banda, baixo custo e fácil fabricação. Nos últimos anos, materiais 2D, como fósforo negro, grafeno e dichalcogenídeos mentais de transição (TMDs), têm sido amplamente adotados como SAs nos lasers Q-switching passivos [8,9,10,11,12]. Entre esses TMDs relatados, como MoS ₂ , MoSe ₂ e WS ₂ , uma característica é a mudança de bandgap indireto para direto que ocorre ao passar de bulk para monocamada [13, 14].

Ao contrário dos TMDs mencionados acima, ReS ₂ tem um bandgap direto, cujo valor permanece ~ 1,5 eV nas formas bulk e monocamada [15]. Além disso, as propriedades fotoelétricas do ReS ₂ são semelhantes do bulk à monocamada [16]. Como semicondutor, ReS ₂ exibe forte absorção não linear, de modo que ReS ₂ as SA foi experimentalmente usado em lasers sólidos em comprimento de onda de 1,5 μm, 2,8 μm e 3 μm [17,18,19]. Recentemente, ReS ₂ com base em substrato de safira foi relatado como um absorvedor saturável em laser de 1 μm [20]. No entanto, o ReS ₂ absorvente saturável foi aderido ao substrato de safira com as forças fracas de van der Waals, que é facilmente clivado do substrato [20]. Até o momento, o GaAs tem sido geralmente aplicado em lasers de estado sólido dopados com Nd para comutação Q a 1 μm [21]. No entanto, GaAs também podem ser combinados com outros semicondutores em heteroestruturas, como MoS ₂ / GaAs, MoSe ₂ / GaAs e PtSe ₂ / GaAs [22]. Até agora, o semicondutor de heteroestrutura MoS ₂ / GaAs SA tem sido usado para obter pulsos mais curtos [23], nos convencendo de que a heteroestrutura semelhante poderia ser atraente para a operação pulsada. A tecnologia de deposição de vapor químico (CVD) pode controlar com precisão a espessura de deposição e gerar uma superfície com correspondência de malha limpa. Em comparação com o ReS ₂ em substrato de safira, semicondutor ReS ₂ / As heteroestruturas de GaAs como bem quânticas podem confinar o portador e melhorar muito a inversão da população. O desempenho da heteroestrutura ReS ₂ / Absorvente saturável de GaAs pode ser esperado.

Neste artigo, o semicondutor de heteroestrutura ReS ₂ / GaAs é fabricado em primeiro lugar. Como absorvedor saturável, um Nd comutado Q passivamente:YVO ₄ laser de estado sólido foi demonstrado com heteroestrutura ReS ₂ / GaAs. Em comparação com o ReS ₂ absorvedor saturável ou absorvedor saturável semicondutor GaAs, o desempenho do laser foi bastante aprimorado com a heteroestrutura ReS ₂ / Absorvente saturável de GaAs. Os resultados experimentais revelam que o ReS ₂ / Absorvedor saturável de GaAs pode ser de grande interesse para operação de comutação Q passiva.

Métodos / Experimental

Recentemente, o ReS ₂ O absorvedor saturável é preparado por esfoliação em fase líquida (LPE) devido ao baixo custo. No entanto, ReS ₂ monocamada em nosso experimento foi sintetizada por CVD porque podemos controlar com precisão a espessura de ReS ₂ . Aqui, pó de enxofre e perrenato de amônio (NH ₄ ReO ₄ ) foram usados como precursores do crescimento. O ReS ₂ monocamada foi cultivada em uma bolacha de safira limpa. Durante o processo de deposição, o argônio foi empregado como gás de arraste para o enxofre. Em seguida, transferimos o ReS crescido por CVD ₂ monocamada para um wafer de GaAs de 110 μm de profundidade com uma dimensão de 10 × 10 mm ² para compor a heteroestrutura. O procedimento total foi mostrado na Fig. 1.

a , b O procedimento de fabricação do ReS ₂ / Heteroestrutura GaAs

Para ter certeza de que o número da camada do ReS preparado ₂ / Heteroestrutura GaAs, investigamos o deslocamento Raman da amostra preparada (Fig. 2). O A _g modos localizados em 134 e 141 cm ⁻¹ , enquanto o E _g modos localizados em 150,7, 160,6, 210,7 e 233 cm ⁻¹ . A diferença dos picos III-I foi de 16,7 cm ⁻¹ , que foi considerada como monocamada [24].

Espectroscopia Raman da heteroestrutura ReS ₂ / GaAs

A Figura 3 mostra o esquema do laser Q comutado passivamente com o ReS ₂ / Absorvedor saturável de heteroestrutura de GaAs. Um Nd de corte c dopado com 0,1% de -Nd:YVO ₄ foi empregado como o cristal de laser, cujas dimensões eram 3 × 3 × 10 mm ³ . O laser Q comutado passivamente foi bombeado na extremidade por um laser de diodo acoplado a fibra a 808 nm. O feixe de bomba foi então focado no cristal com um módulo de refocagem com um ponto no meio de ganho com 400 μm de diâmetro. Um espelho côncavo M1 foi usado como espelho de entrada, que tinha revestimento anti-reflexo (AR) em 808 nm em dois lados e revestimento de alta reflexão (HR) em 1064 nm dentro do ressonador. O raio de curvatura de M1 foi de 200 mm. Um espelho plano M2 funcionou como acoplador de saída (OC) com transmissão em 1064 nm de 10%. Formou-se uma cavidade curta e linear com um comprimento de cerca de 30 mm. O ReS ₂ / GaAs (ou GaAs) foi então inserido na cavidade funcionando como absorvedor saturável e colocado próximo ao acoplador de saída.

Esquema da cavidade do laser Q-switching

Resultados e discussão

A duração do pulso e a taxa de repetição foram registradas com um osciloscópio de fósforo digital (DPO 7104C) por meio de um fotodiodo InGaAs rápido. Conforme mostrado na Fig. 4 e Fig. 5, com o aumento da potência de entrada de 0,5 para 2,26 W, a duração do pulso do ReS ₂ / GaAs passivamente Q-comutado laser diminuiu de 322 para 51,3 ns, enquanto a taxa de repetição aumentou de 139 para 452 kHz. Em comparação, também configuramos o laser GaAs Q-comutado. Podemos ver nas Figs. 4 e 5 que o ReS ₂ / A heteroestrutura de GaAs contribui para encurtar a largura do pulso e diminuir a taxa de repetição do pulso.

Duração do pulso do laser Q-switch versus a potência da bomba incidente

Taxa de repetição do laser Q comutado passivamente em relação à potência da bomba incidente

A Figura 6 mostra os perfis de pulsos de comutação Q na potência da bomba de 2,26 W com diferentes absorvedores saturáveis de semicondutores. Os pulsos de saída com largura de pulso de 51,3 ns e energia de pulso de 465 nJ podem ser alcançados com o ReS ₂ / Absorvedor saturável de heteroestrutura de GaAs. Em contraste, a duração do pulso de saída do laser Q-comutado GaAs foi de 63,2 ns com a energia do pulso de 435 nJ, que foi mostrada na imagem inserida. A Figura 6 também implica que a simetria do ReS ₂ / GaAs Q-comutado pulso é comparativamente muito melhor.

Perfil do laser Q-switching baseado em ReS ₂ / GaAs ou GaAs na potência da bomba incidente de 2,26 W

A energia de pulso e a potência de pico versus a potência da bomba incidente são demonstradas na Fig. 7. Com o aumento da potência da bomba, houve um rápido aumento na potência de pico. Além disso, a potência de pico e a energia de pulso do ReS ₂ / O laser Q comutado de GaAs é maior do que o laser Q comutado baseado em GaAs nas mesmas condições. E para ReS ₂ / GaAs Q-comutado laser, a potência máxima de pico de 9,1 W e a energia de pulso mais alta de 465 nJ pode ser alcançada com a potência da bomba de 2,26 W.

Energia de pulso ( a ) e potência de pico ( b ) do laser Q-switching

Também comparamos nossos resultados experimentais com o trabalho anterior [20] com o ReS ₂ absorvedor saturável no substrato de safira. A duração de pulso mais curta do ReS ₂ O laser de 1 μm comutado Q foi 139 ns com uma taxa de repetição de 644 kHz, correspondendo a uma potência de pico de 1,3 W. Como consequência, a heteroestrutura ReS ₂ / Absorvedor saturável de GaAs pode obviamente melhorar o desempenho do laser, especialmente em termos de duração do pulso, energia do pulso e potência de pico, quando comparado com o ReS ₂ Lasers Q comutados ou lasers GaAs Q comutados.

Conclusões

Em resumo, a heteroestrutura ReS ₂ / O absorvedor saturável de GaAs foi fabricado pela primeira vez. Com base no ReS ₂ / Absorvente saturável de heteroestrutura de GaAs, o Nd comutado passivamente Q:YVO ₄ laser foi demonstrado. Na potência da bomba de 2,26 W, a duração mínima de pulso de 51,3 ns com taxa de repetição de 452 kHz foi alcançada, correspondendo à maior energia de pulso de 465 nJ e a potência de pico de 9,1 W. Nossos resultados confirmam que a heteroestrutura ReS ₂ / GaAs é benéfico para melhorar o desempenho de Q-switching em comparação com o semicondutor ReS ₂ ou absorvedores saturáveis de GaAs.

Abreviações

2D:: Bidimensional
AR:: Anti-reflexo
CVD:: Deposição de vapor químico
RH:: Alto reflexo
LPE:: Esfoliação por fase líquida
OC:: Acoplador de saída
SESAM:: Espelho absorvedor saturável de semicondutor
TMD:: Dichalcogeneto mental de transição

Codificação de metassuperfície anisotrópica com radiação ajustável de banda larga integrada e desempenho de baixa dispersão Supressão de crescimento excessivo de filamento na memória de acesso aleatório da ponte condutiva por Ta2O5 / TaOx Estrutura de duas camadas

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias