ReS₂/GaAs-Heterostruktur-Sättigungsabsorber ermöglicht ultra-schnelles passiv Q-geschaltetes Nd:YVO₄-Laser

Zusammenfassung

Wir berichten über die erstmalige Herstellung einer ReS₂/GaAs-Heterostruktur via chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) und ihren Einsatz als Sättigungsabsorber (SA) in einem passiv Q-geschalteten Nd:YVO₄-Laser. Das Bauelement erreicht eine rekordkurze Pulsdauer von 51,3 ns bei einer Repetitionsrate von 452 kHz, liefert 465 nJ pro Puls und eine Spitzenleistung von 9,1 W. Im Vergleich zu Einzelmaterial-SAs (ReS₂ oder GaAs) liefert die Heterostruktur kürzere Pulse und höhere Pulsenergie, was ihre überlegene Leistung für hocheffizientes Q-Schalten bestätigt.

Einleitung

Passives Q-Schalten bleibt eine Eckpfeilertechnologie für die Erzeugung hochenergetischer, kurzer Laserpulse in industriellen, medizinischen und Forschungsanwendungen. Konventionelle Halbleiter-Sättigungsabsorberspiegel (SESAMs) bieten exzellente Leistung, sind jedoch durch hohe Kosten und schmale Bandbreite limitiert. Zweidimensionale (2D) Materialien wie Graphen, schwarzer Phosphor und Übergangsmetall-Dichalkogenide (TMDs) haben sich als vielversprechende Alternativen erwiesen, die breitbandigen Betrieb, niedrige Kosten und einfache Fertigung bieten.

Unter TMDs sticht ReS₂ hervor, da es einen direkten Bandabstand (~1,5 eV) sowohl in Bulk- als auch in Monolagenform beibehält, und seine fotoelektrische Antwort bemerkenswert konsistent über Dicken hinweg ist. Frühere Arbeiten demonstrierten ReS₂-SAs in 1,5-µm-, 2,8-µm- und 3-µm-Festkörperlasern, und kürzlich einen Saphir-basierten ReS₂-SA bei 1 µm. Die schwache Van-der-Waals-Haftung auf Saphir limitiert jedoch die Bauelementrobustheit. GaAs, routinemäßig in Nd-dotierten Lasern eingesetzt, kann mit anderen Halbleitern zu Heterostrukturen (z. B. MoS₂/GaAs) integriert werden, die Ladungsträgereinschluss verbessern und die SA-Leistung steigern.

In dieser Studie synthetisieren wir eine ReS₂/GaAs-Heterostruktur durch Transfer von CVD-gewachsenem ReS₂ auf einen 110-µm-GaAs-Wafer. Wir evaluieren dann ihre Leistung als SA in einem Nd:YVO₄-Laser und vergleichen sie mit konventionellen ReS₂- und GaAs-SAs.

Methoden / Experimentell

ReS₂-Monolagen wurden durch CVD mit Schwefel- und Ammoniumperrhenat-Vorläufern auf einem sauberen Saphirsubstrat synthetisiert. Die resultierende Monolage wurde auf einen 10 × 10 mm², 110-µm-dicken GaAs-Wafer (entlang der (111)-Orientierung geschnitten) übertragen, um die Heterostruktur zu bilden (siehe Abb. 1). Ramanspektroskopie bestätigte Monolagendicke über die charakteristischen A_g-Moden bei 134 und 141 cm⁻¹ und E_g-Moden bei 150,7, 160,6, 210,7 und 233 cm⁻¹, mit einer III–I-Peak-Trennung von 16,7 cm⁻¹.

Abbildung 1. (a) Schematik des CVD-Wachstumsprozesses; (b) Transfer von ReS₂ auf GaAs-Wafer.

Der Laserkavität bestand aus einem 0,1 % Nd-dotierten c-cut Nd:YVO₄-Kristall (3 × 3 × 10 mm³), endgepumpt von einem 808-nm-Faser-gekoppelten Diodenlaser. Ein 400-µm-Pumpfleck wurde in den Kristall fokussiert. Der Resonator nutzte einen konkaven Eingangs-Spiegel (200 mm Radius, HR bei 1064 nm, AR bei 808 nm) und einen flachen Auskoppler (10 % Transmission bei 1064 nm). Der ReS₂/GaAs (oder GaAs) SA wurde in der Nähe des Auskopplers innerhalb der ~30 mm langen Kavität positioniert (siehe Abb. 3).

Abbildung 2. Ramanspektren der ReS₂/GaAs-Heterostruktur.

Abbildung 3. Schematik der Q-geschalteten Laserkavität.

Ergebnisse und Diskussion

Pulscharakteristiken wurden mit einer schnellen InGaAs-Photodiode und einem digitalen Oszilloskop aufgezeichnet. Mit steigender Pumpleistung von 0,5 auf 2,26 W verkürzte sich die Pulsdauer von 322 ns auf 51,3 ns, während die Repetitionsrate von 139 kHz auf 452 kHz stieg (Abb. 4–5). Die Heterostruktur-SA übertraf konsequent sowohl den eigenständigen ReS₂- als auch den GaAs-SA, lieferte die kürzesten Pulse und niedrigsten Repetitionsraten.

Abbildung 4. Pulsdauer versus eingestrahlte Pumpleistung.

Abbildung 5. Repetitionsrate versus eingestrahlte Pumpleistung.

Bei maximaler Pumpleistung (2,26 W) erzeugte die Heterostruktur-SA 51,3 ns Pulse mit 465 nJ Energie und 9,1 W Spitzenleistung (Abb. 6). Im Gegensatz dazu lieferte der GaAs-SA 63,2 ns Pulse bei 435 nJ. Die Pulssymmetrie wurde ebenfalls mit der Heterostruktur verbessert.

Abbildung 6. Pulssprofile für ReS₂/GaAs und GaAs SAs bei 2,26 W.

Spitzenleistung und Pulsenergie als Funktion der Pumpleistung sind in Abb. 7 dargestellt. Die ReS₂/GaAs-SA erreichte konsistent höhere Werte als der GaAs-SA unter identischen Bedingungen.

Abbildung 7. (a) Pulsenergie; (b) Spitzenleistung versus Pumpleistung.

Verglichen mit einem Saphir-basierten ReS₂-SA (139 ns Pulse bei 1,3 W Spitzenleistung) demonstriert die Heterostruktur deutlich überlegene Leistung über alle Schlüsselmetriken.

Schlussfolgerungen

Wir haben erfolgreich einen ReS₂/GaAs-Heterostruktur-SA gefertigt und in einen passiv Q-geschalteten Nd:YVO₄-Laser integriert. Bei 2,26 W Pumpleistung erreichte der Laser 51,3 ns Pulse, 452 kHz Repetitionsrate, 465 nJ Pulsenergie und 9,1 W Spitzenleistung – überlegen gegenüber konventionellen ReS₂- und GaAs-SAs. Diese Ergebnisse bestätigen, dass ReS₂/GaAs-Heterostrukturen hochwirksam für Hochleistungs-Q-Schaltanwendungen sind.

Abkürzungen

2D

Zweidimensional

AR

Antireflexion

CVD

Chemische Gasphasenabscheidung

HR

Hohe Reflexion

LPE

Flüssigphasenexfoliation

OC

Ausgangskoppler

SESAM

Halbleiter-Sättigungsabsorberspiegel

TMD

Übergangsmetall-Dichalkogenid