Heterostructure ReS2/GaAs verzadigbare absorber Passief Q-Switched Nd:YVO4-laser

Inleiding

Passieve Q-switching-technologieën zijn op grote schaal toegepast in de industrie, de medische wetenschap en wetenschappelijk onderzoek vanwege de merkbare voordelen met betrekking tot eenvoudige structuur en aanzienlijke efficiëntie [1,2,3,4]. Er zijn verschillende materialen gebruikt als verzadigbare absorbers, waarvan de meest voorkomende de verzadigbare halfgeleiderabsorbeerder is [5,6,7]. Vergeleken met SESAM vertonen tweedimensionale (2D) materialen een groot potentieel vanwege de brede bandbreedte, lage kosten en gemakkelijke fabricage. In de afgelopen jaren zijn 2D-materialen zoals zwarte fosfor, grafeen en transitie-mentale dichalcogeniden (TMD's) op grote schaal toegepast als SA's in de passieve Q-switching-lasers [8,9,10,11,12]. Onder deze gerapporteerde TMD's, zoals MoS₂ , MoSe₂ , en WS₂ , een kenmerk is de indirecte-naar-directe bandgap-verandering die optreedt wanneer van bulk naar monolaag wordt gegaan [13, 14].

In tegenstelling tot de bovengenoemde TMD's, is ReS₂ heeft een directe bandgap, waarvan de waarde ~ 1.5 eV blijft in zowel bulk- als monolaagvormen [15]. Bovendien zijn de foto-elektrische eigenschappen van ReS₂ zijn vergelijkbaar van bulk tot monolaag [16]. Als halfgeleider, ReS₂ vertoont een sterke niet-lineaire absorptie, zodat ReS₂ aangezien SA experimenteel is gebruikt in vaste lasers met een golflengte van 1,5 m, 2,8 m en 3 m [17,18,19]. Onlangs, ReS₂ op basis van saffiersubstraat is gerapporteerd als een verzadigbare absorber in laser van 1 m [20]. Echter, de ReS₂ verzadigbare absorber werd met de zwakke van der Waals-krachten aan het saffiersubstraat gehecht, dat gemakkelijk van het substraat wordt gesplitst [20]. Tot op heden is GaAs algemeen toegepast in Nd-gedoteerde vastestoflasers voor Q-switching op 1 m [21]. GaAs kan echter ook worden gecombineerd met andere halfgeleiders tot heterostructuren, zoals MoS₂ /GaAs, MoSe₂ /GaAs en PtSe₂ /GaAs [22]. Tot nu toe is de heterostructuur-halfgeleider MoS₂ /GaAs SA is gebruikt om kortere pulsen te krijgen [23], wat ons ervan overtuigde dat de vergelijkbare heterostructuur aantrekkelijk zou kunnen zijn voor de gepulseerde operatie. De chemische dampafzetting (CVD)-technologie kan de depositiedikte nauwkeurig regelen en een mooi, op een rooster afgestemd oppervlak genereren. In vergelijking met de ReS₂ op saffiersubstraat, halfgeleider ReS₂ /GaAs-heterostructuren als kwantumbron kunnen de drager beperken en de populatie-inversie aanzienlijk verbeteren. De prestaties van de heterostructuur ReS₂ /GaAs verzadigbare absorber kon worden verwacht.

In dit artikel wordt de heterostructuurhalfgeleider ReS₂ /GaAs wordt eerst gefabriceerd. Als verzadigbare absorber, een passief Q-geschakelde Nd:YVO₄ solid-state laser werd gedemonstreerd met heterostructuur ReS₂ /GaAs. In vergelijking met de ReS₂ verzadigbare absorber of GaAs halfgeleider verzadigbare absorber, de laserprestaties werden aanzienlijk verbeterd met de heterostructuur ReS₂ /GaAs verzadigbare absorber. De experimentele resultaten laten zien dat de ReS₂ /GaAs verzadigbare absorber zou van groot belang kunnen zijn voor passieve Q-switching.

Methoden/experimenteel

Onlangs is de ReS₂ verzadigbare absorber wordt bereid door vloeibare fase-exfoliatie (LPE) vanwege de lage kosten. Echter, ReS₂ monolaag in ons experiment werd gesynthetiseerd door CVD omdat we de dikte van ReS₂ nauwkeurig kunnen regelen . Hier zwavelpoeder en ammoniumperrenaat (NH₄ ReO₄ ) werden gebruikt als voorlopers voor groei. De ReS₂ monolaag werd gekweekt op een schone saffierwafel. Tijdens het depositieproces werd argon gebruikt als dragergas voor zwavel. Vervolgens hebben we de CVD-gegroeide ReS₂ . overgedragen monolaag tot een 110 μm diepte GaAs-wafer met een afmeting van 10 × 10 mm ² om de heterostructuur te vormen. De totale procedure werd getoond in Fig. 1.

een , b De fabricageprocedure van de ReS₂ /GaAs heterostructuur

Om ervoor te zorgen dat het laagnummer van de voorbereide ReS₂ /GaAs-heterostructuur onderzochten we de Raman-verschuiving van het voorbereide monster (figuur 2). De A _g standen op 134 en 141 cm ⁻¹ , terwijl de E _g modi op 150,7, 160,6, 210,7 en 233 cm ⁻¹ . Het verschil tussen III-I-pieken was 16,7 cm ⁻¹ , die als monolaag werd beschouwd [24].

Raman-spectroscopie van de heterostructuur ReS₂ /GaAs

Afbeelding 3 toont het schema van de passieve Q-switched laser met de ReS₂ /GaAs heterostructuur verzadigbare absorber. Een 0,1%-Nd-gedoteerde c-cut Nd:YVO₄ werd gebruikt als het laserkristal, waarvan de afmetingen 3 × 3 × 10 mm ³ waren . De passief Q-geschakelde laser werd aan het uiteinde gepompt door een vezelgekoppelde diodelaser bij 808 nm. De pompstraal werd vervolgens in het kristal gefocusseerd met een herfocusseringsmodule met een vlek op het versterkingsmedium met een diameter van 400 m. Een concave spiegel M1 werd gebruikt als ingangsspiegel, die aan twee zijden een antireflectiecoating (AR) had bij 808 nm en een hoogreflecterende coating (HR) bij 1064 nm in de resonator. De kromtestraal van M1 was 200 mm. Een platte spiegel M2 werkte als uitgangskoppelaar (OC) met de transmissie op 1064 nm van 10%. Een korte en lineaire holte met een lengte van ongeveer 30 mm werd gevormd. De ReS₂ /GaAs (of GaAs) werd vervolgens in de holte ingebracht en werkte als verzadigbare absorber en in de buurt van de uitgangskoppeling geplaatst.

Schema van de Q-switching laserholte

Resultaten en discussie

De pulsduur en herhalingsfrequentie werden geregistreerd met een digitale fosforoscilloscoop (DPO 7104C) via een snelle InGaAs-fotodiode. Zoals getoond in Fig. 4 en Fig. 5, met verhoging van het ingangsvermogen van 0,5 tot 2,26 W, de pulsduur van de ReS₂ /GaAs passief Q-geschakelde laser daalde van 322 naar 51,3 ns, terwijl de herhalingssnelheid toenam van 139 tot 452 kHz. Ter vergelijking hebben we ook de GaAs Q-switched laser opgezet. We kunnen uit afb. 4 en 5 dat de ReS₂ /GaAs-heterostructuur draagt ​​bij aan het verkorten van de pulsbreedte en het verlagen van de pulsherhalingsfrequentie.

Pulsduur van de Q-switched laser versus het invallende pompvermogen

Herhalingssnelheid van de passieve Q-geschakelde laser versus het invallende pompvermogen

Afbeelding 6 toont de profielen van Q-schakelpulsen bij een pompvermogen van 2,26 W met verschillende verzadigbare halfgeleiderabsorbers. De uitgangspulsen met de pulsbreedte van 51,3 ns en de pulsenergie van 465 nJ kunnen worden bereikt met de ReS₂ /GaAs heterostructuur verzadigbare absorber. Daarentegen was de uitgangspulsduur van de GaAs Q-switched laser 63,2 ns met de pulsenergie van 435 nJ, die werd getoond in de inzetafbeelding. Afbeelding 6 impliceert ook dat de symmetrie van de ReS₂ /GaAs Q-geschakelde puls is relatief veel beter.

Profiel van de Q-switching laser op basis van ReS₂ /GaAs of GaAs bij het pompvermogen van 2,26 W

De pulsenergie en het piekvermogen versus het invallende pompvermogen worden getoond in Fig. 7. Met toenemend pompvermogen was er een snelle toename van het piekvermogen. Bovendien zijn het piekvermogen en de pulsenergie van de ReS₂ /GaAs Q-switched laser zijn hoger dan die van op GaAs gebaseerde Q-switched laser onder dezelfde omstandigheden. En voor ReS₂ /GaAs Q-switched laser, het maximale piekvermogen van 9,1 W en de hoogste pulsenergie van 465 nJ kan worden bereikt bij 2,26 W pompvermogen.

Pulsenergie (a ) en piekvermogen (b ) van de Q-switching laser

We vergeleken onze experimentele resultaten ook met het vorige werk [20] met de ReS₂ verzadigbare absorber op het saffiersubstraat. De kortste pulsduur van de ReS₂ Q-switched laser van 1 m was 139 ns met een herhalingssnelheid van 644 kHz, wat overeenkomt met een piekvermogen van 1,3 W. Als gevolg hiervan is de heterostructuur ReS₂ /GaAs verzadigbare absorber kan de laserprestaties duidelijk verbeteren, vooral in termen van pulsduur, pulsenergie en piekvermogen, in vergelijking met de ReS₂ Q-switched lasers of GaAs Q-switched lasers.

Conclusies

Samengevat, de heterostructuur ReS₂ /GaAs verzadigbare absorber werd voor het eerst vervaardigd. Gebaseerd op de ReS₂ /GaAs heterostructuur verzadigbare absorber, de passief Q-geschakelde Nd:YVO₄ laser werd gedemonstreerd. Bij het pompvermogen van 2,26 W werd de minimale pulsduur van 51,3 ns met een herhalingssnelheid van 452 kHz bereikt, wat overeenkomt met de hoogste pulsenergie van 465 nJ en het piekvermogen van 9,1 W. Onze resultaten bevestigen dat de heterostructuur ReS₂ /GaAs is gunstig voor het verbeteren van de Q-switching-prestaties in vergelijking met de halfgeleider ReS₂ of GaAs verzadigbare absorbers.

Afkortingen

2D:

Tweedimensionaal

AR:

Antireflectie

CVD:

Chemische dampafzetting

HR:

Hoge reflectie

LPE:

Vloeibare fase exfoliatie

OC:

Uitgangskoppeling

SESAM:

Halfgeleider verzadigbare absorberende spiegel

TMD:

Overgang mentaal dichalcogenide