Heterostruktur-ReS2/GaAs-sättigbarer Absorber, passiv gütegeschalteter Nd:YVO4-Laser

Einführung

Passive Q-Switching-Technologien werden aufgrund ihrer bemerkenswerten Vorteile hinsichtlich einfacher Struktur und beträchtlicher Effizienz in großem Umfang in Industrie, Medizin und wissenschaftlicher Forschung eingesetzt [1,2,3,4]. Als sättigbare Absorber wurden verschiedene Materialien verwendet, von denen der sättigbare Halbleiterabsorber am gebräuchlichsten ist [5,6,7]. Im Vergleich zu SESAM bieten zweidimensionale (2D) Materialien aufgrund der großen Bandbreite, der geringen Kosten und der einfachen Herstellung ein großes Potenzial. In den letzten Jahren wurden 2D-Materialien wie schwarzer Phosphor, Graphen und Übergangs-Mental-Dichalkogenide (TMDs) als SAs in passiven Q-Switching-Lasern weit verbreitet [8,9,10,11,12]. Unter diesen gemeldeten TMDs wie MoS₂ , MoSe₂ , und WS₂ , eine Charakteristik ist die Änderung der indirekten zur direkten Bandlücke, die beim Übergang von der Masse zur Monoschicht auftritt [13, 14].

Im Gegensatz zu den oben genannten TMDs ist ReS₂ hat eine direkte Bandlücke, deren Wert sowohl in der Volumen- als auch in der Monoschichtform bei ~ 1.5 eV bleibt [15]. Darüber hinaus sind die photoelektrischen Eigenschaften von ReS₂ sind von Bulk zu Monolayer ähnlich [16]. Als Halbleiter ist ReS₂ weist eine starke nichtlineare Absorption auf, sodass ReS₂ als SA wurde experimentell in Festkörperlasern mit einer Wellenlänge von 1,5 µm, 2,8 µm und 3 µm verwendet [17,18,19]. Vor kurzem ReS₂ auf Saphirbasis wurde als sättigbarer Absorber in 1-μm-Lasern berichtet [20]. Die ReS₂ sättigbarer Absorber wurde mit den schwachen Van-der-Waals-Kräften auf das Saphirsubstrat geklebt, das sich leicht vom Substrat abspalten lässt [20]. Bisher wurde GaAs allgemein in Nd-dotierten Festkörperlasern zum Güteschalten bei 1 μm eingesetzt [21]. GaAs kann jedoch auch mit anderen Halbleitern zu Heterostrukturen kombiniert werden, wie zum Beispiel MoS₂ /GaAs, MoSe₂ /GaAs und PtSe₂ /GaAs [22]. Bisher wurde der Heterostruktur-Halbleiter MoS₂ /GaAs SA wurde verwendet, um kürzere Pulse zu erhalten [23] und überzeugte uns, dass die ähnliche Heterostruktur für den Pulsbetrieb attraktiv sein könnte. Die Technologie der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) kann die Abscheidungsdicke präzise steuern und eine sauber gitterangepasste Oberfläche erzeugen. Im Vergleich zum ReS₂ auf Saphirsubstrat, Halbleiter ReS₂ /GaAs-Heterostrukturen als Quantentopf können den Ladungsträger einschließen und die Besetzungsinversion stark verbessern. Die Leistung der Heterostruktur ReS₂ /GaAs-sättigbarer Absorber könnte erwartet werden.

In diesem Beitrag wird der Heterostruktur-Halbleiter ReS₂ /GaAs wird zuerst hergestellt. Als sättigbarer Absorber ein passiv gütegeschalteter Nd:YVO₄ Festkörperlaser wurde mit Heterostruktur ReS₂ . demonstriert /GaAs. Im Vergleich zum ReS₂ sättigbarer Absorber oder sättigbarer GaAs-Halbleiterabsorber, die Laserleistung wurde mit der Heterostruktur ReS₂ . stark verbessert /GaAs-sättigbarer Absorber. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die ReS₂ /GaAs-sättigbarer Absorber könnte für den passiven Q-Switching-Betrieb von großem Interesse sein.

Methoden/Experimental

Vor kurzem die ReS₂ sättigbarer Absorber wird aufgrund der geringen Kosten durch Flüssigphasen-Exfoliation (LPE) hergestellt. Allerdings ReS₂ Monolayer in unserem Experiment wurde durch CVD synthetisiert, weil wir die Dicke von ReS₂ . genau kontrollieren können . Hier Schwefelpulver und Ammoniumperrhenat (NH₄ ReO₄ ) wurden als Vorläufer für das Wachstum verwendet. Die ReS₂ Monolayer wurde auf einem sauberen Saphirwafer gezüchtet. Während des Abscheidungsprozesses wurde Argon als Trägergas für Schwefel verwendet. Dann haben wir das CVD-gewachsene ReS₂ . übertragen Monolayer auf einen 110 μm tiefen GaAs-Wafer mit einer Abmessung von 10 × 10 mm ² um die Heterostruktur aufzubauen. Das gesamte Verfahren ist in Abb. 1 dargestellt.

a , b Das Herstellungsverfahren des ReS₂ /GaAs-Heterostruktur

Um sicherzustellen, dass die Schichtnummer der vorbereiteten ReS₂ /GaAs-Heterostruktur untersuchten wir die Raman-Verschiebung der präparierten Probe (Abb. 2). Die A _g Modi bei 134 und 141 cm ⁻¹ , während das E _g Modi bei 150,7, 160,6, 210,7 und 233 cm ⁻¹ . Die Differenz der III-I-Peaks betrug 16,7 cm ⁻¹ , die als Monoschicht angesehen wurde [24].

Raman-Spektroskopie der Heterostruktur ReS₂ /GaAs

Abbildung 3 zeigt das Schema des passiv gütegeschalteten Lasers mit dem ReS₂ . /GaAs-Heterostruktur-sättigbarer Absorber. Ein 0,1%-Nd-dotierter c-Schnitt Nd:YVO₄ Als Laserkristall wurde mit den Abmessungen 3 × 3 × 10 mm ³ . verwendet . Der passiv gütegeschaltete Laser wurde von einem fasergekoppelten Diodenlaser bei 808 nm endgepumpt. Der Pumpstrahl wurde dann mit einem Refokusmodul mit einem Spot auf dem Verstärkungsmedium mit 400 µm Durchmesser in den Kristall fokussiert. Als Eingangsspiegel wurde ein Konkavspiegel M1 verwendet, der auf beiden Seiten eine Antireflexbeschichtung (AR) bei 808 nm und eine Hochreflexionsbeschichtung (HR) bei 1064 nm im Inneren des Resonators aufwies. Der Krümmungsradius von M1 betrug 200 mm. Als Ausgangskoppler (OC) arbeitete ein flacher Spiegel M2 mit einer Transmission bei 1064 nm von 10 %. Es wurde ein kurzer und linearer Hohlraum mit einer Länge von etwa 30 mm gebildet. Die ReS₂ /GaAs (oder GaAs) wurde dann in den als sättigbarer Absorber wirkenden Hohlraum eingefügt und in die Nähe des Ausgangskopplers gebracht.

Schema der gütegeschalteten Laserkavität

Ergebnisse und Diskussion

Pulsdauer und Repetitionsrate wurden mit einem digitalen Phosphoroszilloskop (DPO 7104C) über eine schnelle InGaAs-Photodiode aufgezeichnet. Wie in Abb. 4 und Abb. 5 gezeigt, wird bei Erhöhung der Eingangsleistung von 0,5 auf 2,26 W die Impulsdauer von ReS₂ Der passiv gütegeschaltete /GaAs-Laser verringerte sich von 322 auf 51,3 ns, während die Wiederholungsrate von 139 auf 452 kHz anstieg. Im Vergleich dazu haben wir auch den gütegeschalteten GaAs-Laser aufgebaut. Wir können aus den Abb. 4 und 5, dass die ReS₂ Die /GaAs-Heterostruktur trägt dazu bei, die Pulsbreite zu verkürzen und die Pulswiederholrate zu senken.

Pulsdauer des gütegeschalteten Lasers gegenüber der einfallenden Pumpleistung

Wiederholungsrate des passiv gütegeschalteten Lasers gegenüber der einfallenden Pumpleistung

Abbildung 6 zeigt die Profile von Güteschaltimpulsen bei einer Pumpleistung von 2,26 W mit verschiedenen sättigbaren Halbleiterabsorbern. Die Ausgangspulse mit der Pulsbreite von 51,3 ns und der Pulsenergie von 465 nJ können mit dem ReS₂ . erreicht werden /GaAs-Heterostruktur-sättigbarer Absorber. Im Gegensatz dazu betrug die Ausgangspulsdauer des gütegeschalteten GaAs-Lasers 63,2 ns bei einer Pulsenergie von 435 nJ, was im Nebenbild zu sehen ist. Abbildung 6 impliziert auch, dass die Symmetrie von ReS₂ /GaAs Q-switched Puls ist vergleichsweise viel besser.

Profil des gütegeschalteten Lasers basierend auf ReS₂ /GaAs oder GaAs bei der einfallenden Pumpleistung von 2,26 W

Die Pulsenergie und die Spitzenleistung gegenüber der einfallenden Pumpleistung sind in Abb. 7 dargestellt. Mit zunehmender Pumpleistung nahm die Spitzenleistung schnell zu. Darüber hinaus werden die Spitzenleistung und Pulsenergie des ReS₂ /GaAs-gütegeschaltete Laser sind unter den gleichen Bedingungen höher als die von gütegeschalteten Lasern auf GaAs-Basis. Und für ReS₂ /GaAs gütegeschalteter Laser, die maximale Spitzenleistung von 9,1 W und die höchste Pulsenergie von 465 nJ können bei einer Pumpleistung von 2,26 W erreicht werden.

Pulsenergie (a ) und Spitzenleistung (b ) des güteschaltenden Lasers

Wir haben unsere experimentellen Ergebnisse auch mit der vorherigen Arbeit [20] mit dem ReS₂ . verglichen sättigbarer Absorber auf dem Saphirsubstrat. Die kürzeste Pulsdauer vom ReS₂ Der gütegeschaltete 1-μm-Laser war 139 ns mit einer Wiederholungsrate von 644 kHz, was einer Spitzenleistung von 1,3 W entspricht. Als Folge davon war die Heterostruktur ReS₂ /GaAs-sättigbarer Absorber kann die Laserleistung offensichtlich verbessern, insbesondere in Bezug auf Pulsdauer, Pulsenergie und Spitzenleistung im Vergleich zum ReS₂ Gütegeschaltete Laser oder GaAs-gütegeschaltete Laser.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Heterostruktur ReS₂ Ein sättigbarer /GaAs-Absorber wurde zuerst hergestellt. Basierend auf dem ReS₂ /GaAs-Heterostruktur-sättigbarer Absorber, der passiv gütegeschaltete Nd:YVO₄ Laser wurde demonstriert. Bei der Pumpleistung von 2,26 W wurde die minimale Pulsdauer von 51,3 ns mit einer Repetitionsrate von 452 kHz erreicht, entsprechend der höchsten Pulsenergie von 465 nJ und der Spitzenleistung von 9,1 W. Unsere Ergebnisse bestätigen, dass die Heterostruktur ReS₂ /GaAs verbessert die Güte der Güteschaltung im Vergleich zum Halbleiter ReS₂ oder GaAs-sättigbare Absorber.

Abkürzungen

2D:

Zweidimensional

AR:

Antireflexion

Lebenslauf:

Chemische Gasphasenabscheidung

Personal:

Hohe Reflexion

LPE:

Flüssigphasen-Peeling

OC:

Ausgangskoppler

SESAM:

Spiegel mit sättigbarem Halbleiterabsorber

TMD:

Übergangspsychogenid