이종 구조 ReS2/GaAs 가포화 흡수기 수동 Q-스위치 Nd:YVO4 레이저

소개

패시브 Q-switching 기술은 구조가 간단하고 효율성이 뛰어나므로 산업, 의학 및 과학 연구에 광범위하게 적용되었습니다[1,2,3,4]. 가포화 흡수제로 다양한 물질이 사용되어 왔으며, 가장 일반적인 것은 반도체 가포화 흡수제이다[5,6,7]. SESAM에 비해 2차원(2D) 재료는 넓은 대역폭, 저렴한 비용, 쉬운 제작으로 인해 큰 잠재력을 보여줍니다. 최근 몇 년 동안, 흑린, 그래핀 및 전이 정신 디칼코게나이드(TMD)와 같은 2D 재료가 수동 Q-스위칭 레이저에서 SA로 널리 채택되었습니다[8,9,10,11,12]. MoS₂와 같은 보고된 TMD 중 , MoSe₂ 및 WS₂ , 한 가지 특징은 벌크에서 단층으로 이동할 때 간접-직접 밴드갭 변화가 발생한다는 것입니다[13, 14].

위에서 언급한 TMD와 달리 ReS₂ 벌크 및 단층 형태 모두에서 값이 ~ 1.5 eV로 유지되는 직접적인 밴드갭을 갖는다[15]. 또한 ReS₂의 광전 특성 벌크에서 단층까지 유사합니다[16]. 반도체로서 ReS₂ 강한 비선형 흡수를 나타내므로 ReS₂ SA는 1.5μm, 2.8μm 및 3μm 파장의 고체 레이저에 실험적으로 사용되었습니다[17,18,19]. 최근 ReS₂ 사파이어 기판을 기반으로 한 1μm 레이저에서 포화 흡수체로 보고되었습니다[20]. 그러나 ReS₂ 포화 흡수체는 약한 반 데르 발스 힘으로 사파이어 기판에 부착되어 기판에서 쉽게 쪼개집니다[20]. 현재까지 GaAs는 일반적으로 1μm에서 Q-스위칭을 위해 Nd 도핑된 고체 레이저에 적용되었습니다[21]. 그러나 GaAs는 다른 반도체와 결합하여 MoS₂와 같은 이종 구조로 만들 수도 있습니다. /GaAs, MoSe₂ /GaAs 및 PtSe₂ /GaAs [22]. 지금까지 이종구조 반도체 MoS₂ /GaAs SA는 더 짧은 펄스를 얻기 위해 사용되어 왔으며[23], 유사한 이종 구조가 펄스 작동에 매력적일 수 있음을 확신시켜줍니다. CVD(Chemical Vapor Deposition) 기술은 증착 두께를 정밀하게 제어하고 깔끔하게 격자 일치하는 표면을 생성할 수 있습니다. ReS₂와 비교 사파이어 기판에, 반도체 ReS₂ 양자 우물로서의 /GaAs 이종 구조는 캐리어를 제한하고 인구 반전을 크게 향상시킬 수 있습니다. 이종구조 ReS₂의 성능 /GaAs 포화 흡수체가 예상될 수 있습니다.

이 논문에서 이종구조 반도체 ReS₂ /GaAs가 먼저 제작됩니다. 가포화 흡수제로서 수동적으로 Q-스위치된 Nd:YVO₄ 고체 레이저는 이종 구조 ReS₂로 시연되었습니다. /GaAs. ReS₂와 비교 포화 흡수체 또는 GaAs 반도체 포화 흡수체, 이종 구조 ReS₂로 레이저 성능이 크게 향상되었습니다. /GaAs 포화 흡수제. 실험 결과는 ReS₂ /GaAs 가포화 흡수체는 수동 Q-스위칭 작동에 매우 유용할 수 있습니다.

방법/실험

최근 ReS₂ 포화 흡수제는 저렴한 비용으로 인해 LPE(액상 박리)로 제조됩니다. 그러나 ReS₂ 우리 실험의 단층은 ReS₂의 두께를 정밀하게 제어할 수 있기 때문에 CVD에 의해 합성되었습니다. . 여기서, 유황 분말 및 암모늄 퍼레네이트(NH₄ ReO₄ )는 성장을 위한 전구체로 사용되었습니다. ReS₂ 단층은 깨끗한 사파이어 웨이퍼에서 성장되었습니다. 증착 과정에서 아르곤이 황의 운반 가스로 사용되었습니다. 그런 다음 CVD 성장 ReS₂를 전송했습니다. 10 × 10 mm ² 치수의 110μm 깊이 GaAs 웨이퍼에 단층 헤테로 구조를 구성합니다. 전체 절차는 그림 1에 나와 있습니다.

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아 , b ReS₂의 제작 절차 /GaAs 이종구조

준비된 ReS₂의 레이어 번호를 확인하려면 /GaAs heterostructure, 우리는 준비된 샘플의 Raman shift를 조사했습니다(그림 2). A _g 134 및 141cm ⁻¹ 에 있는 모드 , E _g 150.7, 160.6, 210.7 및 233cm ⁻¹ 에 있는 모드 . III-I 피크의 차이는 16.7 cm ⁻¹ 였습니다. , 단층으로 간주되었습니다[24].

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이종구조 ReS₂의 라만 분광법 /GaAs

그림 3은 ReS₂가 있는 수동 Q-스위치 레이저의 개략도를 보여줍니다. /GaAs 이종 구조 포화 흡수체. 0.1%-Nd-도핑된 c-컷 Nd:YVO₄ 치수가 3 × 3 × 10 mm ³ 인 레이저 결정으로 사용되었습니다. . 수동적으로 Q-스위치된 레이저는 808nm에서 파이버 결합 다이오드 레이저에 의해 최종 펌핑되었습니다. 그런 다음 펌프 빔은 직경 400μm의 이득 매질에 스폿이 있는 재초점 모듈을 사용하여 수정에 초점을 맞췄습니다. 오목 거울 M1은 입력 거울로 사용되었으며, 양면에 808nm의 반사 방지(AR) 코팅과 공진기 내부의 1064nm의 고반사(HR) 코팅이 있습니다. M1의 곡률 반경은 200mm였습니다. 평면 미러 M2는 1064nm에서 투과율이 10%인 출력 커플러(OC)로 작동했습니다. 길이가 약 30mm인 짧은 선형 공동이 형성되었습니다. ReS₂ 그런 다음 /GaAs(또는 GaAs)를 캐비티에 삽입하여 포화 흡수제 역할을 하고 출력 커플러 근처에 둡니다.

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Q-스위칭 레이저 캐비티의 개략도

결과 및 토론

펄스 지속 시간과 반복 속도는 고속 InGaAs 포토다이오드를 통해 디지털 포스퍼 오실로스코프(DPO 7104C)로 기록되었습니다. 그림 4 및 그림 5에서 볼 수 있듯이 입력 전력을 0.5에서 2.26 W로 증가시키면 ReS₂의 펄스 지속 시간이 /GaAs 수동 Q-스위치 레이저는 322에서 51.3 ns로 감소한 반면 반복률은 139에서 452kHz로 증가했습니다. 이에 비해 GaAs Q 스위치 레이저도 설정했습니다. 우리는 그림에서 볼 수 있습니다. 4와 5는 ReS₂ /GaAs 이종 구조는 펄스 폭을 줄이고 펄스 반복률을 낮추는 데 기여합니다.

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Q-스위치 레이저의 펄스 지속 시간 대 입사 펌프 전력

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수동 Q-스위치 레이저 대 입사 펌프 전력의 반복 속도

그림 6은 2.26 W의 펌프 전력에서 다양한 반도체 포화 흡수체를 사용한 Q-스위칭 펄스의 프로필을 보여줍니다. 펄스 폭이 51.3 ns이고 펄스 에너지가 465nJ인 출력 펄스는 ReS₂로 달성할 수 있습니다. /GaAs 이종 구조 포화 흡수체. 대조적으로, GaAs Q-스위치 레이저의 출력 펄스 지속 시간은 435nJ의 펄스 에너지와 함께 63.2 ns였으며, 이는 삽입 사진에 표시되어 있습니다. 그림 6은 또한 ReS₂의 대칭성을 의미합니다. /GaAs Q-switched 펄스가 비교적 훨씬 좋습니다.

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ReS₂를 기반으로 하는 Q-switching 레이저의 프로필 /GaAs 또는 GaAs(2.26W의 입사 펌프 출력)

펄스 에너지 및 피크 전력 대 입사 펌프 전력은 그림 7에 나와 있습니다. 펌프 전력이 증가함에 따라 피크 전력도 급격히 증가했습니다. 또한 ReS₂의 피크 전력 및 펄스 에너지 /GaAs Q-switched 레이저는 동일한 조건에서 GaAs 기반 Q-switched 레이저보다 높습니다. 그리고 ReS₂의 경우 /GaAs Q 스위치 레이저, 9.1 W의 최대 피크 전력 및 465nJ의 가장 높은 펄스 에너지는 2.26 W 펌프 전력에서 달성할 수 있습니다.

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펄스 에너지(a ) 및 최대 전력(b ) Q-스위칭 레이저

또한 ReS₂를 사용하여 실험 결과를 이전 작업[20]과 비교했습니다. 사파이어 기질에 포화 흡수제. ReS₂에서 가장 짧은 펄스 지속 시간 Q-스위치 1μm 레이저는 1.3 W의 피크 전력에 해당하는 644kHz의 반복 속도로 139ns였습니다. 결과적으로 이종 구조 ReS₂ /GaAs 포화 흡수제는 ReS₂와 비교할 때 특히 펄스 지속 시간, 펄스 에너지 및 피크 전력 측면에서 레이저 성능을 분명히 향상시킬 수 있습니다. Q-스위치 레이저 또는 GaAs Q-스위치 레이저.

결론

요약하면, 이종구조 ReS₂ /GaAs 가포화 흡수제가 먼저 제작되었습니다. ReS₂ 기반 /GaAs 이종 구조 포화 흡수체, 수동적으로 Q-스위치된 Nd:YVO₄ 레이저를 시연했습니다. 2.26 W의 펌프 전력에서 최소 펄스 지속 시간은 51.3 ns와 452kHz의 반복 속도로 달성되었으며, 이는 465nJ의 가장 높은 펄스 에너지와 9.1 W의 피크 전력에 해당합니다. 우리의 결과는 이종 구조 ReS<하위>2 /GaAs는 반도체 ReS₂에 비해 Q-switching 성능 향상에 유리합니다. 또는 GaAs 포화 흡수제.

약어

2D:

2차원

AR:

반사 방지

CVD:

화학 기상 증착

인사:

높은 반사율

LPE:

액상 각질 제거

OC:

출력 커플러

SESAM:

반도체 포화 흡수 거울

TMD:

전이 정신 디칼코게나이드

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