Гетероструктура ReS₂/GaAs как насыщаемый поглотитель для ультрабыстрого пассивно Q-переключенного Nd:YVO₄ лазера

Аннотация

Впервые изготовлена гетероструктура ReS₂/GaAs методом химического осаждения из газовой фазы (CVD) и применена как насыщаемый поглотитель (SA) в пассивно Q-переключенном Nd:YVO₄ лазере. Прибор достигает рекордной кратчайшей длительности импульса 51,3 нс при частоте повторения 452 кГц, выдавая 465 нДж на импульс и пиковую мощность 9,1 Вт. По сравнению с однослойными SA (ReS₂ или GaAs), гетероструктура дает более короткие импульсы и более высокую импульсную энергию, подтверждая превосходство для высокоэффективного Q-переключения.

Введение

Пассивное Q-переключение остается ключевой технологией генерации высокоэнергетических коротких лазерных импульсов в промышленности, медицине и науке. Конвенциональные полупроводниковые зеркала-насыщаемые поглотители (SESAM) дают отличную производительность, но ограничены высокой стоимостью и узкой полосой. Двумерные (2D) материалы — графен, черный фосфор, дихалькогениды переходных металлов (TMD) — стали перспективными альтернативами, предлагая ширкополосную работу, низкую стоимость и простую фабрикацию.

Среди TMD ReS₂ выделяется сохранением прямой запрещенной зоны (~1,5 эВ) как в объеме, так и в однослойной форме, и замечательно согласованным фотоэлектрическим откликом при любой толщине. Ранее демонстрированы ReS₂ SA в 1,5-, 2,8- и 3-мкм твердотельных лазерах, а также сапфировый ReS₂ SA при 1 мкм. Однако слабое вана-дер-Ваальсовое сцепление с сапфиром ограничивает надежность прибора. GaAs, широко используемый в Nd-лазерах, может интегрироваться с другими полупроводниками в гетероструктуры (напр., MoS₂/GaAs), улучшая замыкание носителей и характеристики SA.

В работе синтезирована гетероструктура ReS₂/GaAs переносом CVD-выращенного ReS₂ на 110-мкм пластину GaAs. Оценена ее работа как SA в Nd:YVO₄ лазере и сравнена с обычными ReS₂ и GaAs SA.

Методы / Эксперимент

Монослой ReS₂ синтезирован CVD с использованием серы и перерениевой аммиачной соли на чистом сапфировом подложке. Полученный монослой перенесли на 10×10 мм² пластину GaAs толщиной 110 мкм (ориентация (111)), формируя гетероструктуру (см. рис. 1). Рамановская спектроскопия подтвердила монослойную толщину через характерные A_g моды при 134 и 141 см⁻¹ и E_g моды при 150,7, 160,6, 210,7 и 233 см⁻¹, с разделением III–I пиков 16,7 см⁻¹.

Рис. 1. (а) Схема CVD роста; (b) Перенос ReS₂ на пластину GaAs.

Лазерная полость состояла из 0,1% Nd-дированного c-cut Nd:YVO₄ кристалла (3×3×10 мм³), качаемого 808 нм волоконно-связанным диодным лазером. Пятно качки 400 мкм фокусировалось в кристалл. Резонатор использовал вогнутое входное зеркало (радиус 200 мм, HR при 1064 нм, AR при 808 нм) и плоское выходное зеркало (10% передача при 1064 нм). ReS₂/GaAs (или GaAs) SA размещали у выходного зеркала внутри ~30 мм полости (см. рис. 3).

Рис. 2. Рамановские спектры ReS₂/GaAs гетероструктуры.

Рис. 3. Схема Q-переключенной лазерной полости.

Результаты и обсуждение

Импульсные характеристики регистрировали быстрым InGaAs фотодиодом и цифровым осциллографом. При увеличении мощности качки от 0,5 до 2,26 Вт длительность импульса сокращалась с 322 нс до 51,3 нс, а частота повторения росла с 139 кГц до 452 кГц (рис. 4–5). Гетероструктурный SA последовательно превосходил отдельные ReS₂ и GaAs SA, давая самые короткие импульсы и наименьшие частоты повторения.

Рис. 4. Длительность импульса в зависимости от инцидентной мощности качки.

Рис. 5. Частота повторения в зависимости от инцидентной мощности качки.

При максимальной мощности качки (2,26 Вт) гетероструктурный SA давал 51,3 нс импульсы с 465 нДж энергией и 9,1 Вт пиковой мощностью (рис. 6). В то время как GaAs SA давал 63,2 нс при 435 нДж. Симметричность формы импульса также улучшилась с гетероструктурой.

Рис. 6. Профили импульсов для ReS₂/GaAs и GaAs SA при 2,26 Вт.

Пиковая мощность и импульсная энергия в зависимости от мощности качки на рис. 7. ReS₂/GaAs SA стабильно давал более высокие значения, чем GaAs SA при идентичных условиях.

Рис. 7. (а) Импульсная энергия; (b) Пиковая мощность в зависимости от мощности качки.

По сравнению с сапфировым ReS₂ SA (139 нс импульсы при 1,3 Вт пиковой мощности), гетероструктура демонстрирует явно превосходные характеристики по всем ключевым метрикам.

Заключение

Успешно изготовлен ReS₂/GaAs гетероструктурный SA и интегрирован в пассивно Q-переключенный Nd:YVO₄ лазер. При 2,26 Вт мощности качки лазер достиг 51,3 нс импульсов, 452 кГц частоты повторения, 465 нДж импульсной энергии и 9,1 Вт пиковой мощности — превосходя обычные ReS₂ и GaAs SA. Результаты подтверждают, что ReS₂/GaAs гетероструктуры высокоэффективны для высокопроизводительного Q-переключения.

Аббревиатуры

2D

Двумерный

AR

Антирефлексное покрытие

CVD

Химическое осаждение из газовой фазы

HR

Высокое отражение

LPE

Жидкостно-фазная эксфолиация

OC

Выходное зеркало

SESAM

Полупроводниковое зеркало-насыщаемый поглотитель

TMD

Дихалькогенид переходного металла