Heteroestructura ReS2 / GaAs Absorbedor saturable Pasivamente Q-Switched Láser Nd:YVO4

Introducción

Las tecnologías de conmutación Q pasiva se han aplicado ampliamente en la industria, la ciencia médica y la investigación científica debido a sus notables ventajas con respecto a la estructura simple y la eficiencia considerable [1, 2, 3, 4]. Se han utilizado varios materiales como absorbentes saturables, en los que el más común es el absorbente saturable semiconductor [5,6,7]. En comparación con SESAM, los materiales bidimensionales (2D) muestran un gran potencial debido al amplio ancho de banda, el bajo costo y la fácil fabricación. En los últimos años, los materiales 2D como el fósforo negro, el grafeno y los dicalcogenuros mentales de transición (TMD) se han adoptado ampliamente como SA en los láseres de conmutación Q pasivos [8,9,10,11,12]. Entre estos TMD notificados, como MoS ₂ , MoSe ₂ y WS ₂ , una característica es que el cambio de banda prohibida de indirecto a directo se produce cuando se pasa de volumen a monocapa [13, 14].

A diferencia de los TMD mencionados anteriormente, ReS ₂ tiene una banda prohibida directa, cuyo valor permanece en ~ 1,5 eV tanto en forma de monocapa como en masa [15]. Además, las propiedades fotoeléctricas de ReS ₂ son similares a granel a monocapa [16]. Como semiconductor, ReS ₂ exhibe una fuerte absorción no lineal, por lo que ReS ₂ como SA se ha utilizado experimentalmente en láseres sólidos en longitudes de onda de 1,5 μm, 2,8 μm y 3 μm [17,18,19]. Recientemente, ReS ₂ basado en sustrato de zafiro se ha informado como un absorbente saturable en láser de 1 μm [20]. Sin embargo, el ReS ₂ El absorbente saturable se adhirió al sustrato de zafiro con las débiles fuerzas de van der Waals, que se escinde fácilmente del sustrato [20]. Hasta la fecha, el GaAs se ha aplicado generalmente en láseres de estado sólido dopados con Nd para la conmutación Q a 1 μm [21]. Sin embargo, GaAs también se puede combinar con otros semiconductores en heteroestructuras, como MoS ₂ / GaAs, MoSe ₂ / GaAs y PtSe ₂ / GaAs [22]. Hasta ahora, el semiconductor de heteroestructura MoS ₂ / GaAs SA se ha utilizado para obtener pulsos más cortos [23], convenciéndonos de que la heteroestructura similar podría ser atractiva para la operación pulsada. La tecnología de deposición química de vapor (CVD) puede controlar con precisión el grosor de la deposición y generar una superficie de celosía limpia. En comparación con ReS ₂ sobre sustrato de zafiro, semiconductor ReS ₂ Las heteroestructuras de / GaAs como pozo cuántico pueden confinar al portador y mejorar en gran medida la inversión de la población. El rendimiento de la heteroestructura ReS ₂ / Se podría esperar un absorbente saturable de GaAs.

En este artículo, el semiconductor de heterostuctura ReS ₂ / GaAs se fabrica en primer lugar. Como absorbente saturable, un Nd:YVO ₄ de Q-conmutado pasivamente El láser de estado sólido se demostró con heterostucture ReS ₂ / GaAs. En comparación con ReS ₂ absorbente saturable o absorbente saturable de semiconductores de GaAs, el rendimiento del láser se mejoró en gran medida con la heterostuctura ReS ₂ / Absorbedor saturable de GaAs. Los resultados experimentales revelan que el ReS ₂ El absorbedor saturable de GaAs podría ser de gran interés para la operación de conmutación Q pasiva.

Métodos / Experimental

Recientemente, el ReS ₂ El absorbente saturable se prepara mediante exfoliación en fase líquida (LPE) debido a su bajo costo. Sin embargo, ReS ₂ La monocapa en nuestro experimento fue sintetizada por CVD porque podemos controlar con precisión el grosor de ReS ₂ . Aquí, polvo de azufre y perrenato de amonio (NH ₄ ReO ₄ ) se utilizaron como precursores para el crecimiento. El ReS ₂ La monocapa se hizo crecer en una oblea de zafiro limpia. Durante el proceso de deposición, se empleó argón como gas portador del azufre. Luego, transferimos el CVD crecido ReS ₂ monocapa a una oblea de GaAs de 110 μm de profundidad con una dimensión de 10 × 10 mm ² para componer la heteroestructura. El procedimiento total se muestra en la Fig. 1.

un , b El procedimiento de fabricación del ReS ₂ / Heteroestructura de GaAs

Para asegurarse de que el número de capa del ReS ₂ preparado / Ga Como heteroestructura, investigamos el cambio Raman de la muestra preparada (Fig. 2). La A _g modos ubicados a 134 y 141 cm ⁻¹ , mientras que el E _g modos ubicados a 150,7, 160,6, 210,7 y 233 cm ⁻¹ . La diferencia de picos III-I fue de 16,7 cm ⁻¹ , que se consideró monocapa [24].

Espectroscopía Raman de la heteroestructura ReS ₂ / GaAs

La Figura 3 muestra el esquema del láser de conmutación Q pasiva con el ReS ₂ / Absorbedor saturable de heteroestructura de GaAs. Un Nd de corte c dopado con Nd al 0,1%:YVO ₄ se utilizó como cristal láser, cuyas dimensiones eran 3 × 3 × 10 mm ³ . El láser de conmutación Q pasiva fue bombeado por un láser de diodo acoplado a fibra a 808 nm. El rayo de la bomba se enfocó luego en el cristal con un módulo de reenfoque con un punto en el medio de ganancia con 400 μm de diámetro. Se utilizó un espejo cóncavo M1 como espejo de entrada, que tenía un revestimiento antirreflectante (AR) a 808 nm en dos lados y un revestimiento de alta reflexión (HR) a 1064 nm dentro del resonador. El radio de curvatura de M1 fue de 200 mm. Un espejo plano M2 funcionó como acoplador de salida (OC) con la transmisión a 1064 nm del 10%. Se formó una cavidad corta y lineal con una longitud de aproximadamente 30 mm. El ReS ₂ Luego se insertó / GaAs (o GaAs) en la cavidad que funcionaba como absorbente saturable y se colocó cerca del acoplador de salida.

Esquema de la cavidad del láser de conmutación Q

Resultados y discusión

La duración del pulso y la frecuencia de repetición se registraron con un osciloscopio de fósforo digital (DPO 7104C) a través de un fotodiodo InGaAs rápido. Como se muestra en la Fig. 4 y la Fig. 5, al aumentar la potencia de entrada de 0,5 a 2,26 W, la duración del pulso del ReS ₂ El láser de conmutación Q pasiva de / GaAs disminuyó de 322 a 51,3 ns, mientras que la tasa de repetición aumentó de 139 a 452 kHz. En comparación, también configuramos el láser Q-Switched de GaAs. Podemos ver en las Figs. 4 y 5 que el ReS ₂ La heteroestructura de / GaAs contribuye a acortar el ancho del pulso y reducir la frecuencia de repetición del pulso.

Duración del pulso del láser Q-Switched versus la potencia de la bomba incidente

Tasa de repetición del láser de conmutación Q pasiva frente a la potencia de la bomba incidente

La Figura 6 muestra los perfiles de pulsos de conmutación Q a la potencia de bombeo de 2,26 W con diferentes absorbedores saturables de semiconductores. Los pulsos de salida con un ancho de pulso de 51,3 ns y una energía de pulso de 465 nJ se pueden lograr con el ReS ₂ / Absorbedor saturable de heteroestructura de GaAs. Por el contrario, la duración del pulso de salida del láser de conmutación Q de GaAs fue de 63,2 ns con una energía de pulso de 435 nJ, que se muestra en la imagen insertada. La Figura 6 también implica que la simetría del ReS ₂ / El pulso Q-conmutado de GaAs es comparativamente mucho mejor.

Perfil del láser de conmutación Q basado en ReS ₂ / GaAs o GaAs a la potencia de bomba incidente de 2,26 W

La energía del pulso y la potencia máxima frente a la potencia de la bomba incidente se muestran en la figura 7. Con el aumento de la potencia de la bomba, se produjo un rápido aumento de la potencia máxima. Además, la potencia máxima y la energía de pulso del ReS ₂ / Los láseres de conmutación Q de GaAs son más altos que los del láser de conmutación Q basado en GaAs en las mismas condiciones. Y para ReS ₂ / Ga Como un láser de conmutación Q, la potencia máxima máxima de 9,1 W y la energía de pulso más alta de 465 nJ se pueden alcanzar con una potencia de bomba de 2,26 W.

Energía de pulso ( a ) y potencia máxima ( b ) del láser de conmutación Q

También comparamos nuestros resultados experimentales con el trabajo anterior [20] con ReS ₂ absorbente saturable sobre el sustrato de zafiro. La duración de pulso más corta del ReS ₂ El láser de 1 μm Q-conmutado fue de 139 ns con una tasa de repetición de 644 kHz, correspondiente a una potencia máxima de 1,3 W. Como consecuencia, la heterostuctura ReS ₂ El absorbedor saturable / GaAs obviamente puede mejorar el rendimiento del láser, especialmente en términos de duración del pulso, energía del pulso y potencia máxima, en comparación con el ReS ₂ Láseres de conmutación Q o láseres de conmutación Q de GaAs.

Conclusiones

En resumen, la heteroestructura ReS ₂ El absorbente saturable de / GaAs se fabricó por primera vez. Basado en ReS ₂ / GaA como absorbente saturable de heteroestructura, el Nd:YVO ₄ de Q-conmutado pasivamente Se demostró el láser. A la potencia de la bomba de 2,26 W, se alcanzó la duración mínima del pulso de 51,3 ns con una tasa de repetición de 452 kHz, correspondiente a la energía de pulso más alta de 465 nJ y la potencia máxima de 9,1 W. Nuestros resultados confirman que la heterostuctura ReS ₂ / GaAs es beneficioso para mejorar el rendimiento de la conmutación Q en comparación con el semiconductor ReS ₂ o absorbentes saturables de GaAs.

Abreviaturas

2D:

Bidimensional

AR:

Antirreflejos

CVD:

Deposición de vapor químico

HR:

Reflexión alta

LPE:

Exfoliación en fase líquida

OC:

Acoplador de salida

SESAM:

Espejo absorbente saturable de semiconductores

TMD:

Dicalcogenuro mental de transición

Codificación de la metauperficie anisotrópica con radiación sintonizable de banda ancha integrada y rendimiento de baja dispersión Supresión del crecimiento excesivo de filamentos en la memoria de acceso aleatorio del puente conductor mediante la estructura de dos capas Ta2O5 / TaOx