Absorbedor saturable de heteroestructura ReS₂/GaAs permite láser Nd:YVO₄ Q-switched pasivo ultra-rápido

Resumen

Reportamos la primera fabricación de una heteroestructura ReS₂/GaAs mediante deposición química de vapor y su despliegue como absorbedor saturable (SA) en un láser Nd:YVO₄ Q-switched pasivo. El dispositivo alcanza un ancho de pulso récord de 51,3 ns a una tasa de repetición de 452 kHz, entregando 465 nJ por pulso y una potencia pico de 9,1 W. Comparado con SAs de material único (ReS₂ o GaAs), la heteroestructura entrega pulsos más cortos y mayor energía de pulso, confirmando su rendimiento superior para Q-switching de alta eficiencia.

Introducción

El Q-switching pasivo sigue siendo tecnología fundamental para generar pulsos láser de alta energía y corta duración en aplicaciones industriales, médicas y de investigación. Los espejos absorbedores saturables semiconductores convencionales (SESAM) ofrecen excelente rendimiento pero están limitados por alto costo y ancho de banda estrecho. Materiales bidimensionales (2D) como grafeno, fósforo negro y dicalcogenuros de metales de transición (TMD) han surgido como alternativas prometedoras, ofreciendo operación de banda ancha, bajo costo y fabricación fácil.

Entre TMDs, ReS₂ destaca porque retiene brecha de energía directa (~1,5 eV) tanto en forma bulk como monocapa, y su respuesta fotoeléctrica es notablemente consistente a través de espesores. Trabajos previos han demostrado SAs de ReS₂ en láseres de estado sólido a 1,5 μm, 2,8 μm y 3 μm, y recientemente un SA de ReS₂ basado en zafiro a 1 μm. Sin embargo, la débil adhesión de Van der Waals al zafiro limita la robustez del dispositivo. GaAs, empleado rutinariamente en láseres dopados con Nd, puede integrarse con otros semiconductores para formar heteroestructuras (ej. MoS₂/GaAs) que mejoran confinamiento de portadores y mejoran rendimiento SA.

En este estudio, sintetizamos una heteroestructura ReS₂/GaAs transfiriendo ReS₂ crecido por CVD sobre una oblea GaAs de 110 μm. Luego evaluamos su rendimiento como SA en láser Nd:YVO₄ y lo comparamos contra SAs convencionales de ReS₂ y GaAs.

Métodos / Experimental

Monocapas de ReS₂ se sintetizaron por CVD usando precursores de azufre y perrenato de amonio sobre sustrato de zafiro limpio. La monocapa resultante se transfirió sobre una oblea GaAs de 10 × 10 mm², 110 μm de espesor (cortada entlang orientación (111)) para formar la heteroestructura (ver Fig. 1). Espectroscopía Raman confirmó espesor monocapa mediante modos característicos A_g a 134 y 141 cm⁻¹ y modos E_g a 150,7, 160,6, 210,7 y 233 cm⁻¹, con separación pico III-I de 16,7 cm⁻¹.

Figura 1. (a) Esquema del proceso de crecimiento CVD; (b) Transferencia de ReS₂ sobre oblea GaAs.

La cavidad láser consistió en cristal Nd:YVO₄ c-cut dopado 0,1 % (3 × 3 × 10 mm³) bombeado por extremo por láser diodo acoplado a fibra a 808 nm. Un punto de bombeo de 400 μm se enfocó en el cristal. El resonador usó espejo de entrada cóncavo (radio 200 mm, HR a 1064 nm, AR a 808 nm) y acoplador de salida plano (10 % transmisión a 1064 nm). El SA ReS₂/GaAs (o GaAs) se posicionó cerca del acoplador de salida dentro de la cavidad de ~30 mm de largo (ver Fig. 3).

Figura 2. Espectros Raman de la heteroestructura ReS₂/GaAs.

Figura 3. Esquema de la cavidad láser Q-switched.

Resultados y Discusión

Las características de pulso se registraron con fotodiodo InGaAs rápido y osciloscopio digital. A medida que la potencia de bombeo aumentó de 0,5 a 2,26 W, la duración del pulso se acortó de 322 ns a 51,3 ns, mientras la tasa de repetición subió de 139 kHz a 452 kHz (Fig. 4-5). El SA de heteroestructura superó consistentemente a ambos SAs individuales de ReS₂ y GaAs, produciendo los pulsos más cortos y tasas de repetición más bajas.

Figura 4. Duración de pulso versus potencia de bombeo incidente.

Figura 5. Tasa de repetición versus potencia de bombeo incidente.

A la máxima potencia de bombeo (2,26 W), el SA de heteroestructura produjo pulsos de 51,3 ns con 465 nJ energía y potencia pico de 9,1 W (Fig. 6). En contraste, el SA GaAs entregó pulsos de 63,2 ns a 435 nJ. La simetría de forma de pulso también mejoró con la heteroestructura.

Figura 6. Perfiles de pulso para SAs ReS₂/GaAs y GaAs a 2,26 W.

Potencia pico y energía de pulso como funciones de potencia de bombeo se muestran en Fig. 7. El SA ReS₂/GaAs consistentemente logró valores más altos que el SA GaAs bajo condiciones idénticas.

Figura 7. (a) Energía de pulso; (b) Potencia pico versus potencia de bombeo.

Comparado con SA de ReS₂ basado en zafiro (pulsos de 139 ns a 1,3 W potencia pico), la heteroestructura demuestra rendimiento marcadamente superior en todas las métricas clave.

Conclusiones

Hemos fabricado exitosamente un SA de heteroestructura ReS₂/GaAs e integrado en un láser Nd:YVO₄ Q-switched pasivo. A 2,26 W potencia de bombeo, el láser logró pulsos de 51,3 ns, tasa de repetición 452 kHz, energía de pulso 465 nJ y potencia pico 9,1 W —superando SAs convencionales de ReS₂ y GaAs. Estos resultados confirman que heteroestructuras ReS₂/GaAs son altamente efectivas para aplicaciones de Q-switching de alto rendimiento.

Abreviaturas

2D

Bidimensional

AR

Antirreflexión

CVD

Deposición química de vapor

HR

Alta reflexión

LPE

Exfoliación en fase líquida

OC

Acoplador de salida

SESAM

Espejo absorbedor saturable semiconductor

TMD

Dicalcogenuro de metal de transición