Laserlaser mit großer Energie und hoher Wiederholungsrate durch Q-geschalteten Graphen-Festkörperlaser

Abstrakt: Wir haben gezeigt, dass das Graphen als effektiver sättigbarer Absorber für gütegeschaltete Festkörperlaser eingesetzt werden kann. Ein sättigbarer Graphen-Absorberspiegel wurde mit großen und qualitativ hochwertigen Graphenplatten hergestellt, von denen die Entfernung abnahmdas Flüssigphasen-Peeling. Mit diesem Spiegel werden 105-ns-Impulse und eine durchschnittliche Ausgangsleistung von 2,3 W von einem passiv gütegeschalteten Nd: GdVO4-Laser erhalten. Die maximale Impulsenergie beträgt 3,2 μJ. Die Steigungseffizienz beträgt bis zu 37%ungefähr 40% des Dauerstrichlasers, was auf einen geringen intrinsischen Verlust des Graphens hindeutet.

  1. Einleitung

  Q-Switching, auch bekannt als Giant Pulse Formation, ermöglicht die Erzeugung von Lichtimpulsen mit extrem hoher Spitzenleistung, die viel höher ist als bei einem Laser, wenn er im Dauerstrich arbeitet. Diese Technikfindet seine Anwendungen in Industrie und Wissenschaft, die eine hohe Impulsenergie erfordern, wie Medizin, Geochemie und Materialverarbeitung. Bisher wurden passiv gütegeschaltete Laser mit sättigbaren Halbleiterspiegeln (SESAMs) als Q-Schaltelemente wurden aktiv berichtet [1–4]. Diese SESAMs erfordern jedoch eine komplexe Herstellung und Verpackung, die ihre breite Verwendung einschränken [5]. Daher ist es wichtig, neue sättigbare Absorbermaterialien mit geringen Kosten und breit zu findenAbsorptionsbande und niedriger intrinsischer Verlust.

  Der jüngste Fortschritt zeigt, dass Graphen als Modulationselement in gepulsten Lasern verwendet werden kann. Graphen genießt gegenüber herkömmlichen sättigbaren Halbleiterabsorbern in der ultraschnellen Photonik wie der ultraschnellen Ladungsträgerdynamik klare Vorteile[6,7], große optische Absorption und Modulationstiefe [8,9]. Die Modulationstiefe beträgt für dreilagige Graphenbleche sogar 66,5% und fällt mit der Zunahme der Schichten fast linear ab [8]. Die große Modulationstiefe beträgtgünstig für kurze Impulse [10]. Durch die steuerbare Modulationstiefe kann die Impulsdauer eingestellt werden. In früheren Arbeiten wurde gezeigt, dass Graphen ein hervorragender sättigbarer Absorber in modengekoppelten Faserlasern und Festkörperlasern ist[8,11–15]. Kürzlich wurde auch über das Umschalten von Graphen berichtet. Yu et al. Erhielten 159,2-nJ-Einzelimpulsenergie und 161-ns-Impulsdauer aus einem Nd: YAG-Laser, der durch Graphen, das auf Siliciumcarbid gewachsen war, gütegeschaltet wurde [16]. Popa et al.demonstrierten die Leistung des gütegeschalteten Graphen-Faserlasers mit einer einzelnen Pulsenergie von 40 nJ bei 1,5 µm [17]. Hier berichten wir über die Anwendung eines auf Graphen basierenden sättigbaren Absorberspiegels (SAM) in passiv gepumpten Dioden.geschalteter Nd: GdVO4-Laser. Mit einem stabilen Güteschaltvorgang werden 3,2 μJ Pulsenergie und 105 ns Pulsdauer erhalten.

  2. Vorbereitung und Charakterisierung von Graphen

  Um Graphenbleche mit einer Größe von mehreren zehn Mikrometern zu erhalten, haben wir vor dem Abblättern wurmartigen Exfoliierten Graphit (WEG) mit Oxidationsmittel vorbehandelt. Exfolierter Graphit wurde in einer Mischung aus konzentrierter Schwefelsäure voroxidiert.Kaliumperoxodisulfat, Phosphoroxid (P2O5) bei 90 ° C unter Rühren. Nach Beendigung von 4 Stunden wurde die Mischung in ein großes Becherglas gegossen, das überschüssiges entionisiertes Wasser enthielt, gefolgt von Filtration und Waschen bis zum pH-Wert vondas Filtrat war nahezu neutral. Der so erhaltene Graphit wurde 24 Stunden bei 80 ° C getrocknet. Der getrocknete Graphit wurde in 1-Methyl-2-pyrrolidinon (NMP) in einem verschlossenen Glasfläschchen 2 Stunden lang mit Ultraschall behandelt. Die resultierende Dispersion wurde belassenfür 3 Tage, um unlösliche Teilchen auszufällen. Die überstehende Lösung wurde zur Charakterisierung gesammelt. Dazu wurden das Rasterelektronenmikroskop (SEM) und die hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM) eingesetztcharakterisieren das produkt. Graphenblätter mit einer lateralen Größe von mehr als 20 um sind in den Fig. 1 (a) und 1 (b) deutlich zu sehen. Das ausgewählte Flächenelektronenbeugungsmuster (SEAD-Muster) in Fig. 1 (c) zeigt die erwartete typische sechsfache SymmetrieGraphit / Graphen. Die Intensität des Musters legt auch nahe, dass die Fläche ein Monoschichtgraphen ist, da das Intensitätsverhältnis von I {1100} / I {2110} > 1 ist ein Alleinstellungsmerkmal für Monolayer-Graphen [18]. Das Edge-On-Bild vonGraphen in Fig. 1 (d) zeigt einen Intergraphenabstand von 0,34 nm.

Abb. 1. (a) REM-Aufnahmen von Graphenblättern. (b) HRTEM-Bilder von Graphenblättern.

(c) SEAD-Muster zeigt die sechsfache Rotationssymmetrie (d) HRTEM-Aufnahme von Graphen

Rand, wo Streifen beobachtet werden und der interlaminare Abstand 0,34 nm beträgt.

  3. Ergebnisse und Diskussion

  Die Graphenplatten wurden direkt auf einen ebenen BK7-Glasreflektor aufgeschleudert, der mit dielektrischen SiO 2 / TiO 2 -Schichten, die ein Reflexionsvermögen von ~ 95% aufwiesen, mit einem breiten Band wie in 2 (a) versehen war. Die Übertragung des Graphens SAM istan verschiedenen Orten gemessen. Die Kurven der Maximal- und Minimalwerte sind in Fig. 2 (a) angegeben. Die Übertragung des Graphens SAM kann als beschrieben werden

T=T (1-ein)n

  woherTO, ein,und n sind die anfängliche Durchlässigkeit des Substrats, die Absorption des Monoschichtgraphens bzw. die Anzahl der beschichteten Graphenschichten. Die gemessene Transmission liegt bei 1063 zwischen ~ 95,2% und 96,1%nm. Daraus kann geschlossen werden, dass die Schichten des beschichteten Graphens zwischen 2 und 10 liegen.

  Die schematische Anordnung des gütegeschalteten Lasers ist in Fig. 2 (b) gezeigt. Ein 17 mm langer Zwei-Spiegel-Resonator wurde verwendet, um die Leistung der Graphen-SAM zu bewerten. Das Verstärkungsmedium war ein 3 × 3 × 5 mm3 a-Schnitt Nd: GdVO4 mit Nd3 +Dotierungsgrad von 0,5 at.%. Um die gespeicherte Wärme zu entfernen, wickelten wir den Kristall mit Indiumfolie ein und montierten ihn in einen Kupferkühlkörper, wobei die Temperatur durch Wasserkühlung auf 21 ° C gehalten wurde. Der Kristall wurde durch einen fasergekoppelten Laser am Ende gepumptDiodenarray, das bei 808 nm mit einem Durchmesser von 400 µm und einer numerischen Apertur von 0,22 emittiert. Der Eingangskoppler war ein konkaver Spiegel mit einem Krümmungsradius von 200 mm. Es wurde bei 808 nm entspiegelt und bei 1063 hochreflektiertnm.

Fig. 2 (a) Transmissionsspektren des BK7-Substrats und der Graphen-SAM. (b) Versuchsaufbau des gütegeschalteten Lasers.

(c) Durchschnittliche Ausgangsleistung versus einfallender Pumpleistung für den Betrieb mit kontinuierlicher Welle und Güteschaltung (Q-S).

 (d) Pulsbreite und Wiederholrate gegen die einfallende Pumpleistung für den Q-Schaltvorgang.

  Zunächst untersuchten wir die Leistung des Dauerstrich- (CW-) Nd: GdVO4-Lasers mit einem BK7-Reflektor (derselbe wie das Substrat des Graphen-SAM) als Ausgangskoppler. Der Laserbetrieb wurde bei der Schwellenpumpleistung von realisiert0,18 W. Die Ausgangsleistung ist in Fig. 2 (c) als Funktion der einfallenden Pumpenleistung (Pin) aufgetragen. Bei einer einfallenden Pumpleistung von 6,5 W wurde eine Ausgangsleistung von 2,5 W erzielt, was zu einem optisch-optischen Wirkungsgrad von 38% und einer Steigung führteWirkungsgrad von 40%. Während des Experiments wurde keine Selbst-Q-Umschaltung beobachtet. Die Laseremission konzentrierte sich bei 1063 nm mit einer Halbwertsbreite (FWHM) von ~ 0,8 nm. Diese Ergebnisse zeigten die guten Lasereigenschaften unseres Nd: GdVO4.

Wenn der BK7-Reflektor durch Graphen-SAM ersetzt wurde, wie in Fig. 2 (b) gezeigt, wird derEine gepulste Laseroszillation wurde erreicht, sobald die einfallende Pumpleistung die Schwelle von 0,22 W überschritt. Die Beziehung zwischen der mittleren Ausgangsleistung und der einfallenden Pumpleistung ist in Fig. 2 (c) dargestellt. Man kann den Durchschnitt sehenDie Ausgangsleistung steigt linear mit der einfallenden Pumpleistung. Es wurde keine Pumpensättigung beobachtet, selbst wenn die einfallende Pumpenleistung auf 6,5 W anstieg. Bei dieser einfallenden Pumpenleistung wurde eine durchschnittliche Ausgangsleistung von 2,3 W leicht erhaltenniedriger als bei Dauerbetrieb um einen Faktor von 8%. Die entsprechenden optisch-optischen und Steigungswirkungsgrade betrugen 35% bzw. 37%. Eine solche gute Leistung bedeutet, dass der intrinsische Verlust des Graphens bei a liegtsehr niedriger Pegel Die Impulsbreite (τ) und die Wiederholrate (f) in Abhängigkeit von der einfallenden Pumpleistung wurden mit einem digitalen Oszilloskop aufgezeichnet und in Fig. 2 (d) dargestellt. Die Abbildung zeigt einen schnellen Abfall von 1435 ns auf ein Minimum von 105 nsin Pulsbreite mit der Erhöhung der Pumpleistung von Schwelle auf 6,5 W, während eine Zunahme der Wiederholungsrate von 305 auf 704 kHz beobachtet wurde. Die hohe Wiederholrate kann auf die ultraschnelle Relaxationszeit von Graphen zurückzuführen sein (0,4 ~ 1,7)ps [7]) und der relativ große stimulierte Emissionsquerschnitt von Nd: GdVO4. [19]. Entsprechend der durchschnittlichen Ausgangsleistung und der Pulswiederholungsrate wurde die maximale Einzelpulsenergie von 3,2 μJ unter der einfallenden Pumpleistung realisiertEs sollte jedoch darauf hingewiesen werden, dass die Impulsbreite und die Wiederholrate in 2 (d) unter der einfallenden Pumpleistung unter 2,9 W der ungefähre Mittelwert sind, weil in diesem Pumpbereich der gütegeschaltete Betrieb warweit entfernt von stabil (die Impulsfolgen unter der Pumpleistung von 0,9 W sind in Fig. 3 (a) als Beispiel dargestellt). Dies ist vernünftig, wenn man bedenkt, dass das Graphen bei niedriger Intracavity-Leistung nicht vollständig gesättigt sein könnte. Die Fluktuation derMessungen lagen innerhalb ~ 20% des Durchschnittswertes. Der Q-Schaltvorgang wurde zu einem stabilen Zustand unter einem einfallenden Pumpenleistungspegel, der höher als 2,9 W war (wie etwa 3 (b), aufgezeichnet bei der Pumpleistung von 3,2 W), entsprechend einemIntracavity-Intensität von ~ 0,926 MWcm-2 auf den Graphenblättern, was nahe bei der Sättigungsintensität von 0,87 MWcm lag-2 berichtet in Lit. [8,12]. Die zeitlichen Impulsfolgen und das Einzelimpulsprofil mit Wiederholrate von 704 kHz undEine Impulsdauer von 105 ns wurde bei einer Ausgangsleistung von 2,3 W erhalten, wie in Fig. 3 (c) und Fig. 3 (d) dargestellt. Die Strahlqualität befand sich während des Experiments nahe der Beugungsgrenze. Mit einem kommerziellen Strahlqualitätsanalysator kann derRadial und Tangential M2 wurden mit 1,16 gemessenDie Emissionswellenlänge des gütegeschalteten Lasers war immer noch bei 1063 nm zentriert, der FHWM betrug jedoch 1,0 nm, was etwas breiter als 0,8 nm des vorherigen Dauerstrichlasers war. Das kann seinzwei Gründe zugeschrieben. Eine davon ist der spontane Übergang der großen akkumulierten Inversionspopulation zu den unteren Teilebenen des angeregten Niveaus. Wenn Graphen gesättigt ist, erfolgt der Übergang von den unteren Teilebenen zur Bodenebenewürde bei langen Wellenlängen Photonen emittieren. Die andere ist die extrem große normale Dispersion von Graphen [8].

Abb. 3. Gütegeschalteter Impulszug unter der einfallenden Pumpleistung von 0,9 W (a),

unter der einfallenden Pumpleistung von 3,2 W (b) und unter der einfallenden Pumpleistung von 6,5 W (c).

(d) 105-ns gütegeschaltetes Impulsprofil unter der einfallenden Pumpleistung von 6,5 W.

  Für das gütegeschaltete Lasern mit einem Graphen-SAM spielt die Modulationstiefe in Bezug auf die Anzahl der Graphenschichten eine wichtige Rolle für die Pulsdauer. Eine hohe Modulationstiefe kann die Pulsdauer verkürzen. Darüber hinaus geringe LeistungDie Durchlässigkeit ist normalerweise vorteilhaft für die Energiespeicherung und die niedrige Laserschwelle. Eine hohe Durchlässigkeit für die Ausgabe ist jedoch für Hochleistungslaser im Hinblick auf die Verringerung der Intrakavitätsfluenz günstig, um optische Schäden zu vermeidenwiderstehen mehreren impulsen. Daher sollte das zukünftige Design von Graphen SAM für die Erzeugung von hochenergetischen gütegeschalteten Pulsen auf die Optimierung der Schichtanzahl von Graphen und der SAM-Durchlässigkeit fokussiert werden.

4. Fazit

  In diesem Artikel wurde die effiziente Leistung des Graphens SAM auf den gütegeschalteten Festkörperlasern demonstriert. Man erhält 2,3 W mittlere Ausgangsleistung und 3,2 µJ Pulsenergie. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Graphen sein kannangelegt, um stabile, energiereiche Impulse mit einer Wiederholungsrate im Bereich von zehn bis Hundert kHz zu erzeugen.