Absorvedor Saturável de Heteroestrutura ReS₂/GaAs Permite Laser Nd:YVO₄ Q-Switch Passivo Ultra-Rápido

Resumo

Relatamos a primeira fabricação de uma heteroestrutura ReS₂/GaAs via deposição química em fase vapor e sua implementação como absorvedor saturável (SA) em laser Nd:YVO₄ com Q-switch passivo. O dispositivo atinge largura de pulso recorde de 51,3 ns a taxa de repetição de 452 kHz, entregando 452 nJ por pulso e potência de pico de 9,1 W. Comparado com SAs de material único (ReS₂ ou GaAs), a heteroestrutura entrega pulsos mais curtos e maior energia de pulso, confirmando seu desempenho superior para Q-switching de alta eficiência.

Introdução

Q-switching passivo permanece tecnologia fundamental para gerar pulsos de laser de alta energia e curta duração em aplicações industriais, médicas e de pesquisa. Espelhos absorvedores saturáveis semicondutores convencionais (SESAMs) oferecem excelente desempenho mas são limitados por alto custo e largura de banda estreita. Materiais bidimensionais (2D) como grafeno, fósforo preto e dicalcogenetos de metais de transição (TMDs) emergiram como alternativas promissoras, oferecendo operação de banda larga, baixo custo e fabricação facilitada.

Entre TMDs, ReS₂ destaca-se porque mantém lacuna de banda direta (~1,5 eV) tanto em forma bulk quanto monocamada, e sua resposta fotoelétrica é notavelmente consistente entre espessuras. Trabalhos prévios demonstraram SAs de ReS₂ em lasers de estado sólido a 1,5 µm, 2,8 µm e 3 µm, e recentemente SA de ReS₂ baseado em safira a 1 µm. No entanto, a fraca adesão de van der Waals à safira limita robustez do dispositivo. GaAs, rotineiramente empregado em lasers dopados com Nd, pode ser integrado com outros semicondutores para formar heteroestruturas (ex: MoS₂/GaAs) que melhoram confinamento de portadores e melhoram desempenho de SA.

Neste estudo, sintetizamos uma heteroestrutura ReS₂/GaAs transferindo ReS₂ crescido por CVD sobre wafer de GaAs de 110 µm. Avaliamos então seu desempenho como SA em laser Nd:YVO₄ e comparamos com SAs convencionais de ReS₂ e GaAs.

Métodos / Experimental

Monocamadas de ReS₂ foram sintetizadas por CVD usando precursores de enxofre e perrenato de amônio em substrato de safira limpo. A monocamada resultante foi transferida sobre wafer de GaAs de 10 × 10 mm², 110 µm de espessura (cortado junto à orientação (111)) para formar a heteroestrutura (ver Fig. 1). Espectroscopia Raman confirmou espessura de monocamada através dos modos A_g característicos em 134 e 141 cm⁻¹ e modos E_g em 150,7, 160,6, 210,7 e 233 cm⁻¹, com separação de pico III-I de 16,7 cm⁻¹.

A cavidade do laser consistiu de cristal Nd:YVO₄ c-cut dopado a 0,1 % (3 × 3 × 10 mm³) bombeado extremidade por laser de diodo acoplado a fibra a 808 nm. Um ponto de bomba de 400 µm foi focalizado no cristal. O ressonador usou espelho de entrada côncavo (raio 200 mm, HR a 1064 nm, AR a 808 nm) e acoplador de saída plano (10 % transmissão a 1064 nm). O SA ReS₂/GaAs (ou GaAs) foi posicionado próximo ao acoplador de saída dentro da cavidade de ~30 mm de comprimento (ver Fig. 3).

Resultados e Discussão

Características de pulso foram registradas com fotodiodo InGaAs rápido e osciloscópio digital. Conforme a potência de bomba aumentou de 0,5 a 2,26 W, a duração do pulso encurtou de 322 ns para 51,3 ns, enquanto a taxa de repetição subiu de 139 kHz para 452 kHz (Fig. 4-5). O SA de heteroestrutura consistentemente superou tanto o ReS₂ autônomo quanto o GaAs SA, resultando nos pulsos mais curtos e menores taxas de repetição.

Na maior potência de bomba (2,26 W), o SA de heteroestrutura produziu pulsos de 51,3 ns com 465 nJ de energia e potência de pico de 9,1 W (Fig. 6). Em contraste, o SA de GaAs entregou pulsos de 63,2 ns a 435 nJ. A simetria da forma de pulso também foi melhorada com a heteroestrutura.

Comparado com SA de ReS₂ baseado em safira (pulsos de 139 ns a 1,3 W de potência de pico), a heteroestrutura demonstra desempenho marcadamente superior em todas as métricas-chave.

Conclusões

Fabricamos com sucesso um SA de heteroestrutura ReS₂/GaAs e o integramos em laser Nd:YVO₄ com Q-switch passivo. A 2,26 W de potência de bomba, o laser atingiu pulsos de 51,3 ns, taxa de repetição de 452 kHz, energia de pulso de 465 nJ e potência de pico de 9,1 W — superando SAs convencionais de ReS₂ e GaAs. Estes resultados confirmam que heteroestruturas ReS₂/GaAs são altamente eficazes para aplicações de Q-switching de alto desempenho.

Abreviações

2D

Bidimensional

AR

Antirreflexo

CVD

Deposição química em fase vapor

HR

Alta reflexão

LPE

Exfoliação em fase líquida

OC

Acoplador de saída

SESAM

Espelho absorvedor saturável semicondutor

TMD

Dicalcogeneto de metal de transição