Grote energie-laserpulsen met hoge herhalingsfrequentie door grafeen Q-switched solid-state laser

Abstract: We hebben aangetoond dat het grafeen kan worden gebruikt als een effectieve verzadigbare absorber voor Q-switched solid-state lasers. Een grafeen verzadigbare absorptiespiegel werd gefabriceerd met grote en hoogwaardige grafeenvellen waarvan geen vertekening wasde afschilfering in vloeibare fase. Met behulp van deze spiegel worden 105-ns pulsen en 2,3-W gemiddeld uitgangsvermogen verkregen van een passief Q-geschakelde Nd: GdVO4 laser. De maximale pulsenergie is 3,2 μJ. De hellingefficiëntie is maar liefst 37%benaderend tot 40% van de continue golflaser, wat wijst op een laag intrinsiek verlies van het grafeen.

  1. Inleiding

  Q-switching, ook bekend als gigantische pulsvorming, maakt de productie mogelijk van lichtpulsen met extreem hoog piekvermogen, veel hoger dan zou worden gegenereerd door dezelfde laser als deze in een continue golfmodus zou werken. Deze techniekvindt zijn industriële en wetenschappelijke toepassingen die hoge pulsenergie vereisen, zoals medicijnen, geochemie en materiaalverwerking. Eerder, de passief Q-switched lasers met halfgeleider verzadigbare absorberende spiegels (SESAM's) als Q-schakelelementen werden actief gerapporteerd [1-4]. Deze SESAM's vereisen echter een complexe fabricage en verpakking die hun wijdverspreide gebruik beperken [5]. Het is dus cruciaal om nieuwe verzadigbare absorberende materialen te zoeken met lage kosten, breedabsorptieband en laag intrinsiek verlies.

  Recente vooruitgang onthult dat grafeen kan worden gebruikt als een modulatie-element in gepulseerde laser. Grafeen heeft duidelijke voordelen ten opzichte van conventionele halfgeleiders verzadigbare absorptiemiddelen in ultrasnelle fotonica, zoals de ultrasnelle dragersynamiek[6,7], grote optische absorptie en modulatiediepte [8,9]. De modulatiediepte is hoger dan 66,5% voor grafeenvellen met drie lagen en daalt bijna lineair met de toename van de lagen [8]. De grote modulatiediepte isgunstig voor korte pulsen [10]. En de regelbare modulatiediepte maakt het mogelijk om de pulsduur aan te passen. Eerder werk heeft bewezen dat grafeen een uitstekende verzadigbare absorber is in mode-locked fiberlasers en solid-state lasers[8,11-15]. Heel recent is grafeen Q-switching ook gemeld. Yu et al verkregen 159,2-nJ single pulse energie en 161 ns pulsduur van een Nd: YAG laser Q-switched door grafeen gegroeid op siliciumcarbide [16]. Popa et al.demonstreerde de prestaties van de grafeen Q-switched fiber laser met een enkele pulsenergie van 40 nJ bij 1,5 μm [17]. Hier rapporteren we over de toepassing van een op grafeen gebaseerde verzadigbare absorptiespiegel (SAM) in passief gepompte diode Q-geschakelde Nd: GdVO4-laser. Er worden 3,2-μJ pulsenergie en 105-ns pulsduur verkregen met een stabiele Q-schakelwerking.

  2. Voorbereiding en karakterisatie van grafeen

  Om grafeenvellen met een grootte van tientallen microns te verkrijgen, voorbehandelden we wormachtig geëxpandeerd grafiet (WEG) met oxidatiemiddel vóór het exfoliëren. Gescolieerd grafiet werd voorgeoxideerd in een mengsel van geconcentreerd zwavelzuur,kaliumperoxodisulfaat, fosforoxide (P205) bij 90 ° C onder roeren. Na voltooiing van 4 uur werd het mengsel in een grote beker gegoten die overmatig gedeïoniseerd water bevatte, gevolgd door filtratie en wassen tot de pH vanhet filtraat was dichtbij neutraal. Het verkregen grafiet werd gedurende 24 uur bij 80 ° C gedroogd. Het gedroogde grafiet werd ultrasoon behandeld in 1-methyl-2-pyrrolidinon (NMP) in een afgesloten glazen flesje gedurende 2 uur. De resulterende dispersie bleef achtergedurende 3 dagen om onoplosbare deeltjes neer te slaan. De supernatantoplossing werd verzameld voor karakterisering. De scanning elektronenmicroscoop (SEM) en hoge resolutie transmissie-elektronenmicroscopie (HRTEM) werden gebruikt omkarakteriseren het product. Grafeenvellen met een laterale afmeting van meer dan 20 μm zijn duidelijk te zien in figuur 1 (a) en 1 (b). Het geselecteerde gebied elektronen diffractie (SEAD) patroon in Fig. 1 (c), toont de typische zesvoudige symmetrie verwacht voorgrafiet / grafeen. De intensiteit van het patroon suggereert ook dat het gebied een monolaag grafeen is vanwege het feit dat de intensiteitsverhouding van I {1100} / I {2110} > 1 is een uniek kenmerk voor monolaaggrafeen [18]. Het randbeeld vangrafeen in Fig. 1 (d) geeft een afstand tussen de grafeen van 0,34 nm aan.

Fig. 1. (a) SEM-afbeeldingen van grafeenvellen. (b) HRTEM-afbeeldingen van grafeenvellen.

(c) SEAD-patroon toont de zesvoudige rotatiesymmetrie (d) HRTEM-afbeelding van grafeen

rand waar franjes worden waargenomen en interlaminaire afstand is 0,34-nm.

  3. Resultaten en discussie

  De grafeenvellen werden direct spinbekleed op een vlakke BK7-glasreflector bekleed met Si02 / Ti02 diëlektrische lagen, die een reflectiviteit van ~ 95% hadden met een brede band zoals in Fig. 2 (a). De overdracht van de grafeen SAM isgemeten op verschillende locaties. De krommen van maximum- en minimumwaarden worden gegeven in respectievelijk figuur 2 (a). De overdracht van de grafeen SAM kan worden beschreven als

T=T (1-een)n

  waarTO, een,en n zijn de initiële transmissie van het substraat, de absorptie van het monolaaggrafeen en het aantal respectievelijk de gecoate grafeenlagen. De gemeten transmissie ligt tussen ~ 95,2% en 96,1% bij 1063nm. Er kan dus worden geconcludeerd dat de lagen van het gecoate grafeen variëren van 2 tot 10.

  De schematische opstelling van de Q-geschakelde laser is getoond in figuur 2 (b). Een 17-mm lange twee-spiegelresonator werd gebruikt om de prestaties van de grafeen SAM te evalueren. Het versterkingsmedium was een 3 x 3 x 5 mm3 a-snede Nd: GdVO4 met de Nd3 +dopingniveau van 0,5 at.%. Om de opgeslagen warmte te verwijderen, wikkelden we het kristal met indiumfolie en bevestigden het in een koperen koellichaam met de temperatuur op 21 ° C gehouden door waterkoeling. Het kristal werd aan het einde gepompt door een vezelgekoppelde laserdiode array emitting bij 808 nm met een diameter van 400 μm en 0,22 in numerieke apertuur. De ingangskoppelaar was een concave spiegel met een kromtestraal van 200 mm. Het was antireflectie gecoat op 808 nm en hoge reflectie gecoat op 1063nm.

Fig. 2. (a) Transmissiviteitspectra van het BK7-substraat en grafeen SAM. (b) Experimentele opstelling van de Q-switched laser.

(c) Gemiddeld uitgangsvermogen versus incidenteel pompvermogen voor continugolf- en Q-schakeling (Q-S) werking.

 (d) Pulsbreedte en herhalingssnelheid versus invallend pompvermogen voor Q-schakelwerking.

  In eerste instantie onderzochten we de prestaties van de continu-golf (CW) Nd: GdVO4-laser met een BK7-reflector (dezelfde als het substraat van de grafeen SAM) als uitgangskoppelaar. De laserbewerking werd gerealiseerd bij de drempel pompvermogen van0.18 W. Het uitgangsvermogen is uitgezet in Fig. 2 (c) als een functie van het invallende pompvermogen (Pin). 2,5-W uitgangsvermogen werd verkregen onder het incident pompvermogen van 6,5 W, resulterend in een optisch tot optisch rendement van 38% en een hellingefficiëntie van 40%. Tijdens het experiment werd geen zelf-Q-switching waargenomen. De laseremissie gecentreerd bij 1063 nm met een volledige breedte bij half maximum (FWHM) van ~ 0,8 nm. Deze resultaten onthulden de goede laser-eigenschappen van onze Nd: GdVO4.

  Toen de grafeen SAM werd vervangen door de BK7-reflector zoals getoond in Fig. 2 (b), degepulseerde laseroscillatie werd bereikt zodra het invallende pompvermogen de drempel van 0,22 W overschreed. De relatie tussen het gemiddelde uitgangsvermogen en het invallende pompvermogen is uitgezet in figuur 2 (c). Het gemiddelde is te zienhet uitgangsvermogen neemt lineair toe met het invallende pompvermogen. Er werd geen pompverzadiging waargenomen, zelfs als het invallende pompvermogen toenam tot 6,5 W. Met dit invallende pompvermogen werd een gemiddeld uitgangsvermogen van 2,3 W verkregen, enigszinslager dan die in continue golfconditie met een factor 8%. De overeenkomstige optische-naar-optische en hellingefficiëntie waren respectievelijk 35% en 37%. Een dergelijke goede prestatie betekent dat het intrinsieke verlies van het grafeen op eenerg laag niveau. De pulsbreedte (T) en herhalingsfrequentie (f) afhankelijk van het invallende pompvermogen werden geregistreerd door een digitale oscilloscoop en gepresenteerd in figuur 2 (d). De figuur toont een snelle daling van 1435 ns naar een minimum van 105 nsin pulsbreedte met de toename van het pompvermogen van drempel naar 6,5 W, terwijl een toename in herhalingssnelheid van 305 tot 704 kHz werd waargenomen. De hoge herhalingsfrequentie kan te wijten zijn aan de ultrasnelle relaxatietijd van grafeen (0,4 ~ 1,7ps [7]) en de relatief grote gestimuleerde emissiedwarsdoorsnede van Nd: GdVO4. [19]. Afhankelijk van het gemiddelde uitgangsvermogen en de pulsherhalingsfrequentie, werd de maximale energie van één puls van 3,2 μJ gerealiseerd onder het invallende pompvermogenvan 5.3 W. Er moet echter op worden gewezen dat de pulsbreedte en herhalingsfrequentie in Fig. 2 (d) onder het invallende pompvermogen van minder dan 2,9 W de geschatte gemiddelde waarde zijn, omdat in dit pompgebied de Q-geschakelde werking wasverre van stabiel (de pulstreinen onder het pompvermogen van 0,9 W worden getoond in Fig. 3 (a) als een voorbeeld). Dit is redelijk gezien het feit dat het grafeen niet volledig verzadigd kan zijn bij een lage intracavitaire kracht. De fluctuatie van demetingen was binnen ~ 20% van de gemiddelde waarde. De Q-schakelverrichting draaide naar een stabiel regime met een incident pompvermogen hoger dan 2,9 W (zoals Fig. 3 (b) geregistreerd bij het pompvermogen van 3,2 W), overeenkomend met eenintracavitaire intensiteit van ~ 0,926 MWcm-2 op de grafeenvellen, die dicht bij de verzadigingsintensiteit van 0,87 MWcm lag-2 gerapporteerd in Ref. [8,12]. De temporale pulsreeksen en een enkel pulsprofiel met een herhalingsfrequentie van 704 kHz enpulsduur van 105 ns werd verkregen onder het uitgangsvermogen van 2,3 W, zoals weergegeven in Fig. 3 (c) en Fig. 3 (d). De bundelkwaliteit bleek in de buurt van de diffractielimiet door het experiment te liggen. Met een commerciële beam quality analyzer, deradiaal en tangentieel M2 werden gemeten als zijnde 1,16 en1,18 onder het maximale uitgangsvermogen van 2,3 W. De emissiegolflengte van de Q-switched laser was nog steeds gecentreerd op 1063 nm, maar de FHWM was 1,0 nm, wat iets breder was dan 0,8 nm van de vorige continue golflaser. Dit kan zijntoegeschreven aan twee redenen. Een daarvan is de spontane overgang van de grote geaccumuleerde inversiepopulatie naar de lagere subniveaus van geëxciteerd niveau. Wanneer grafeen verzadigd is, is de overgang van de lagere subniveaus naar het maaiveldzou fotonen uitzenden met een lange golflengte. De andere is de extreem grote normale dispersie van grafeen [8].

Fig. 3. Q-switched pulstrein onder het invallende pompvermogen van 0,9 W (a),

onder het incident pompvermogen van 3,2 W (b), en onder het incident pompvermogen van 6,5 W (c).

(d) 105-ns Q- geschakeld pulsprofiel onder het invallende pompvermogen van 6,5 W.

  Voor Q-switched laserwerking met een SAM-grafeen speelt de modulatiediepte gerelateerd aan het aantal grafeenlagen een belangrijke rol in de pulsduur. Een hoge modulatiediepte kan de pulsduur verkorten. Bovendien, lage outputde transmittiviteit is meestal gunstig voor de energieopslag en de lage laserdrempel. Maar een hoge output-transmittiviteit is gunstig voor hoogvermogen-laser vanuit het oogpunt van het verminderen van de intracavity-fluentie om optische schade te voorkomen enweerstaan ​​meerdere pulsen. Het toekomstige ontwerp van grafeen SAM voor het genereren van Q-switched pulsen met hoge energie moet dus gericht zijn op de optimalisatie van het laagaantal van grafeen en de SAM-doorlaatbaarheid.

4. Conclusie

  In dit artikel is de efficiënte werking van de grafeen SAM op de Q-switched solid-state lasers aangetoond. Er wordt 2,3 W aan gemiddeld uitgangsvermogen en 3,2 μJ pulsenergie verkregen. Onze resultaten tonen aan dat grafeen kan zijntoegepast om hoge energie stabiele pulsen te genereren met een herhalingsfrequentie in het bereik van tientallen tot honderden kHz.