Heterostructuur ReS₂/GaAs verzadigingsabsorber stelt ultra-snelle passief Q-geschakelde Nd:YVO₄ laser in

Samenvatting

We rapporteren de eerste fabricage van een ReS₂/GaAs heterostructuur via chemische dampdepositie (CVD) en haar toepassing als verzadigingsabsorber (VA) in een passief Q-geschakelde Nd:YVO₄ laser. Het apparaat bereikt een record-korte pulslengte van 51,3 ns bij een herhalingsfrequentie van 452 kHz, leverend 465 nJ per puls en een piekvermogen van 9,1 W. Vergeleken met single-material VAs (ReS₂ of GaAs), levert de heterostructuur kortere pulsen en hogere pulsenergie, wat de superieure prestaties voor hoge-efficiënte Q-schakeling bevestigt.

Inleiding

Passieve Q-schakeling blijft een hoeksteentechnologie voor het genereren van hoge-energie, korte-duur laserpulsen in industriële, medische en onderzoekstoepassingen. Conventionele halfgeleider verzadigingsabsorber spiegels (SESAMs) bieden uitstekende prestaties maar zijn beperkt door hoge kosten en smalle bandbreedte. Twee-dimensionale (2D) materialen zoals grafene, zwart fosfor en overgangsmetaal-dichalcogeniden (TMDs) zijn veelbelovende alternatieven, die breedbandoperatie, lage kosten en gemakkelijke fabricage bieden.

Onder TMDs valt ReS₂ op omdat het een direct bandgap (~1,5 eV) behoudt in zowel bulk als monolaag vormen, en de foto-elektrische respons notevols consistent is over dikten. Eerder werk heeft ReS₂ VAs gedemonstreerd in 1,5-µm, 2,8-µm en 3-µm vastestof-lasers, en recent een saffier-gebaseerde ReS₂ VA bij 1 µm. Echter, de zwakke Van der Waals adhesie aan saffier beperkt de robuustheid van het apparaat. GaAs, routinematig toegepast in Nd-gedopte lasers, kan geïntegreerd worden met andere halfgeleiders om heterostructuren te vormen (bijv. MoS₂/GaAs) die ladinginperking verbeteren en VA-prestaties verbeteren.

In deze studie synthetiseren we een ReS₂/GaAs heterostructuur door CVD-gegroeide ReS₂ over te dragen op een 110-µm GaAs-wafer. Vervolgens evalueren we de prestaties als VA in een Nd:YVO₄ laser en vergelijken het met conventionele ReS₂ en GaAs VAs.

Methoden / Experimenteel

ReS₂ monlagen werden gesynthetiseerd door CVD met zwavel en ammoniumperrhenaat precursors op een schone saffier-substraat. De resulterende monlaag werd overgedragen op een 10 × 10 mm², 110-µm dikke GaAs-wafer (gesneden langs de (111) oriëntatie) om de heterostructuur te vormen (zie Fig. 1). Ramanspectroscopie bevestigde monolaagdikte via de karakteristieke A_g modi bij 134 en 141 cm⁻¹ en E_g modi bij 150,7, 160,6, 210,7 en 233 cm⁻¹, met een III–I piekseparatie van 16,7 cm⁻¹.

Figuur 1. (a) Schematisch van het CVD-groeiproces; (b) Overdracht van ReS₂ op GaAs-wafer.

De lasercaviteit bestond uit een 0,1% Nd-gedopte c-cut Nd:YVO₄ kristal (3 × 3 × 10 mm³) eind-gepumpt door een 808 nm vezel-gekoppelde diodelaser. Een 400-µm pompspot werd gefocust in het kristal. De resonator gebruikte een ingekromde invoerspiegel (200 mm straal, HR bij 1064 nm, AR bij 808 nm) en een vlakke uitkoppelingsspiegel (10% transmissie bij 1064 nm). De ReS₂/GaAs (of GaAs) VA werd geplaatst nabij de uitkoppelingsspiegel in de ~30 mm lange caviteit (zie Fig. 3).

Figuur 2. Ramanspectra van de ReS₂/GaAs heterostructuur.

Figuur 3. Schematisch van de Q-geschakelde lasercaviteit.

Resultaten en discussie

Pulskarakteristieken werden vastgelegd met een snelle InGaAs-fotodiode en een digitale oscilloscoop. Toen de pompkracht steeg van 0,5 tot 2,26 W, verkorte de pulsduratie van 322 ns tot 51,3 ns, terwijl de herhalingsfrequentie steeg van 139 kHz tot 452 kHz (Fig. 4–5). De heterostructuur VA presteerde consistent beter dan zowel de standalone ReS₂ als GaAs VAs, wat resulteerde in de kortste pulsen en laagste herhalingsfrequenties.

Figuur 4. Pulsduur versus incident pompkracht.

Figuur 5. Herhalingsfrequentie versus incident pompkracht.

Bij de hoogste pompkracht (2,26 W) produceerde de heterostructuur VA 51,3 ns pulsen met 465 nJ energie en een piekvermogen van 9,1 W (Fig. 6). In tegenstelling leverde de GaAs VA 63,2 ns pulsen bij 435 nJ. De pulsvormsymmetrie was ook verbeterd met de heterostructuur.

Figuur 6. Pulprofielen voor ReS₂/GaAs en GaAs VAs bij 2,26 W.

Piekvermogen en pulsenergie als functies van pompkracht zijn weergegeven in Fig. 7. De ReS₂/GaAs VA bereikte consistent hogere waarden dan de GaAs VA onder identieke omstandigheden.

Figuur 7. (a) Pulsenergie; (b) Piekvermogen versus pompkracht.

Vergeleken met een saffier-gebaseerde ReS₂ VA (139 ns pulsen bij 1,3 W piekvermogen), demonstreert de heterostructuur aanzienlijk superieure prestaties over alle belangrijke metrics.

Conclusies

We hebben met succes een ReS₂/GaAs heterostructuur VA gefabriceerd en geïntegreerd in een passief Q-geschakelde Nd:YVO₄ laser. Bij 2,26 W pompkracht bereikte de laser 51,3 ns pulsen, 452 kHz herhalingsfrequentie, 465 nJ pulsenergie en 9,1 W piekvermogen—uitstekend boven conventionele ReS₂ en GaAs VAs. Deze resultaten bevestigen dat ReS₂/GaAs heterostructuren hoogst effectief zijn voor hoge-prestatie Q-schakelingsapplicaties.

Afkortingen

2D

Twee-dimensionaal

AR

Antireflectie

CVD

Chemische dampdepositie

HR

Hoge reflectie

LPE

Vloeistof-fase exfoliatie

OC

Uitkoppelingsspiegel

SESAM

Halfgeleider verzadigingsabsorber spiegel

TMD

Overgangsmetaal-dichalcogenide