Pulsos de láser de gran energía con alta tasa de repetición mediante láser de estado sólido Q-switched de grafeno

Abstracto: Demostramos que el grafeno podría usarse como un absorbente saturable eficaz para láseres de estado sólido con conmutación Q. Se fabricó un espejo absorbente saturable de grafeno con hojas de grafeno grandes y de alta calidad privadas dela exfoliación en fase líquida. Usando este espejo, se obtienen impulsos de 105 ns y una potencia de salida promedio de 2,3 W a partir de un láser Nd: GdVO4 conmutado por Q pasivamente. La energía de pulso máxima es 3.2 μJ. La eficiencia de la pendiente es tan alta como 37%aproximándose al 40% del láser de onda continua, lo que indica una baja pérdida intrínseca del grafeno.

  1. Introducción

  La conmutación de Q, también conocida como formación de pulso gigante, permite la producción de pulsos de luz con una potencia máxima extremadamente alta, mucho más alta de lo que generaría el mismo láser si estuviese funcionando en modo de onda continua. Esta tecnicaencuentra sus aplicaciones industriales y científicas que requieren alta energía de pulso, como medicina, geoquímica y procesamiento de materiales. Anteriormente, los láseres Q-switched pasivamente con espejos absorbedores saturables de semiconductores (SESAM) como Q-los elementos de conmutación se informaron activamente [1-4]. Sin embargo, estos SESAM requieren una fabricación y embalaje complejos que limitan su uso generalizado [5]. Por lo tanto, es crucial buscar nuevos materiales absorbentes saturables de bajo costo, ampliosbanda de absorción y baja pérdida intrínseca.

  El progreso reciente revela que el grafeno puede usarse como un elemento de modulación en el láser pulsado. Graphene goza de claras ventajas sobre los absorbentes saturables de semiconductores convencionales en fotónica ultrarrápida, como la dinámica de portadora ultrarrápida[6,7], gran absorción óptica y profundidad de modulación [8,9]. La profundidad de modulación es tan alta como 66.5% para las capas de grafeno de tres capas, y cae casi linealmente con el aumento de las capas [8]. La gran profundidad de modulación esfavorable para pulsos cortos [10]. Y la profundidad de modulación controlable permite ajustar la duración del pulso. El trabajo previo ha demostrado que el grafeno es un excelente absorbente saturable en láseres de fibra con bloqueo de modo y láseres de estado sólido[8,11-15]. Muy recientemente, también se informó el cambio de grafeno Q. Yu et al obtuvieron 159.2-nJ de energía de pulso único y 161 ns de duración de pulso de un láser Nd: YAG Q-conmutado por grafeno cultivado en carburo de silicio [16]. Popa et al.demostraron el rendimiento del láser de fibra Q-switched de grafeno con una sola energía de pulso de 40 nJ a 1,5 μm [17]. Aquí, informamos sobre la aplicación de un espejo absorbente saturable a base de grafeno (SAM) en diodos bombeados pasivamente Q-Nd cambiado: láser GdVO4. La energía del pulso de 3.2-μJ y la duración del pulso de 105-ns se obtienen con una operación de conmutación de Q estable.

  2. Preparación y caracterización del grafeno

  Con el fin de obtener láminas de grafeno con un tamaño de decenas de micras, pretratamos grafito exfoliado con aspecto de gusano (WEG) con oxidante antes de exfoliar. El grafito exfoliado se pre-oxidó en una mezcla de ácido sulfúrico concentrado,peroxodisulfato de potasio, óxido de fósforo (P2O5) a 90 ° C bajo agitación. Al completar 4 horas, la mezcla se vertió en un vaso de precipitados grande que contenía agua desionizada en exceso, seguido de filtración y lavado hasta que el pH deel filtrado estaba cerca de neutral. El grafito tal como se obtuvo se secó a 80 ° C durante 24 horas. El grafito seco se sometió a ultrasonidos en 1-metil-2-pirrolidinona (NMP) en un vial de vidrio sellado durante 2 horas. La dispersión resultante fue dejadadurante 3 días para precipitar cualquier partícula insoluble. La solución sobrenadante fue recolectada para caracterización. El microscopio electrónico de barrido (SEM) y el microscopio electrónico de transmisión de alta resolución (HRTEM) se usaron paracaracterizar el producto. Las hojas de grafeno con un tamaño lateral superior a 20 μm se pueden ver claramente en la figura 1 (a) y 1 (b). El patrón de difracción de electrones de área seleccionada (SEAD) en la Fig. 1 (c), muestra la típica simetría de seis veces esperada paragrafito / grafeno. La intensidad del patrón también sugiere que el área es un grafeno monocapa debido al hecho de que la relación de intensidad de I {1100} / I {2110} > 1 es una característica única para el grafeno monocapa [18]. La imagen de borde deel grafeno en la Fig. 1 (d) indica un espaciado inter grafeno de 0,34 nm.

Fig. 1. (a) Imágenes SEM de láminas de grafeno. (b) Imágenes HRTEM de láminas de grafeno.

(c) El patrón SEAD muestra la simetría rotacional de seis veces (d) Imagen HRTEM del grafeno

borde donde se observan las franjas y el espaciado interlaminar es de 0,34 nm.

  3. Resultados y discusión

  Las láminas de grafeno se recubrieron directamente por rotación sobre un reflector de vidrio BK7 plano revestido con capas dieléctricas de SiO2 / TiO2, que tenía una reflectividad de ~ 95% con una banda ancha como en la Fig. 2 (a). La transmisión del grafeno SAM esmedido en diferentes lugares. Las curvas de los valores máximo y mínimo se dan en la figura 2 (a), respectivamente. La transmisión del grafeno SAM se puede describir como

T=T (1-un)norte

  dóndeTo, un,yn son la transmisión inicial del sustrato, la absorción del grafeno monocapa y el número de capas de grafeno recubiertas, respectivamente. La transmisión medida está entre ~ 95.2% y 96.1% a 1063Nuevo Méjico. Por lo tanto, se puede concluir que las capas del grafeno recubierto varían de 2 a 10.

  La disposición esquemática del láser Q-switched se muestra en la figura 2 (b). Se usó un resonador de dos espejos de 17 mm de longitud para evaluar el rendimiento del grafeno SAM. El medio de ganancia fue un Nd: GdVO4 de 3 × 3 × 5 mm3 a con el Nd3 +nivel de dopaje de 0.5 at.%. Para eliminar el calor almacenado, envolvimos el cristal con papel de aluminio y lo montamos en un disipador de calor de cobre con la temperatura mantenida a 21 ° C por enfriamiento con agua. El cristal fue bombeado por un láser acoplado a fibramatriz de diodos que emite a 808 nm con 400 μm de diámetro y 0,22 en apertura numérica. El acoplador de entrada era un espejo cóncavo con un radio de curvatura de 200 mm. Fue recubierto antirreflejos a 808 nm y recubierto de alta reflexión a 1063Nuevo Méjico.

Fig. 2. (a) Espectros de transmisividad del sustrato BK7 y grafeno SAM. (b) Configuración experimental del láser Q-switched.

(c) Potencia de salida promedio frente a la potencia de la bomba incidente para la operación de onda continua y Q-switching (Q-S).

 (d) El ancho del pulso y la tasa de repetición frente a la potencia de la bomba incidente para la operación de conmutación Q.

  Inicialmente, investigamos el rendimiento del láser Nd: GdVO4 de onda continua (CW) con un reflector BK7 (el mismo que el sustrato del grafeno SAM) como acoplador de salida. La operación del láser se realizó a la potencia umbral de la bomba de0.18 W. La potencia de salida se representa en la Fig. 2 (c) en función de la potencia de la bomba incidente (Pin). Se obtuvo una potencia de salida de 2,5 W bajo la potencia de la bomba incidente de 6,5 W, lo que resultó en una eficiencia óptica a óptica del 38% y una pendienteeficiencia del 40%. No se observó auto-Q-switching durante el experimento. La emisión del láser se centró a 1063 nm con un ancho completo a la mitad de la máxima (FWHM) de ~ 0,8 nm. Estos resultados revelaron las buenas propiedades del láser de nuestra Nd: GdVO4.

  Cuando el grafeno SAM fue sustituido por el reflector BK7 como se muestra en la figura 2 (b), elLa oscilación láser pulsada se logró tan pronto como la potencia de la bomba incidente excedió el umbral de 0,22 W. La relación entre la potencia de salida promedio y la potencia de la bomba incidente se traza en la figura 2 (c). Se puede ver el promediola potencia de salida aumenta linealmente con la potencia de la bomba incidente. No se observó saturación de la bomba incluso si la potencia de la bomba incidente aumentó a 6.5 W. Con esta potencia de bomba incidente, se obtuvo una potencia de salida promedio de 2.3 W, ligeramentemás bajo que en condiciones de onda continua en un factor de 8%. Las eficiencias ópticas a ópticas y de inclinación correspondientes fueron del 35% y 37%, respectivamente. Un rendimiento tan bueno significa que la pérdida intrínseca del grafeno está en unanivel muy bajo El ancho del pulso (τ) y la tasa de repetición (f), dependiendo de la potencia de la bomba incidente, se registraron con un osciloscopio digital y se presentaron en la figura 2 (d). La figura muestra una caída rápida de 1435 ns a un mínimo de 105 nsen el ancho de pulso con el aumento de la potencia de la bomba desde el umbral a 6.5 W, mientras que se observó un aumento en la tasa de repetición de 305 a 704 kHz. La alta tasa de repetición puede deberse al tiempo de relajación ultrarrápida del grafeno (0.4 ~ 1.7ps [7]) y la sección transversal de emisión estimulada relativamente grande de Nd: GdVO4. [19]. De acuerdo con la potencia de salida promedio y la tasa de repetición de impulsos, la energía de pulso individual máxima de 3,2 μJ se realizó bajo la potencia de la bomba incidentede 5.3 W. Sin embargo, debe señalarse que el ancho de pulso y la tasa de repetición en la figura 2 (d) bajo la potencia de bomba incidente por debajo de 2.9 W son el valor promedio aproximado, porque en esta región de bombeolejos de ser estable (los trenes de impulso bajo la potencia de la bomba de 0.9 W se presentan en la figura 3 (a) como ejemplo). Esto es razonable, teniendo en cuenta que el grafeno no podría estar completamente saturado con un bajo poder intracavitario. La fluctuación de lalas mediciones estuvieron dentro de ~ 20% del valor promedio. La operación de conmutación Q se convirtió en un régimen estable bajo un nivel de potencia de bomba incidente superior a 2.9 W (como la Fig. 3 (b) registrada a la potencia de la bomba de 3.2 W), que corresponde a unintensidad intracavidad de ~ 0.926 MWcm-2 en las láminas de grafeno, que estaba cerca de la intensidad de saturación de 0.87 MWcm-2 reportado en Ref. [8,12]. Los trenes de impulsos temporales y el perfil de un solo pulso con una tasa de repetición de 704 kHz yla duración del pulso de 105 ns se obtuvo bajo la potencia de salida de 2.3 W, como se representa en la Fig. 3 (c) y la Fig. 3 (d). La calidad del haz se encontró cerca del límite de difracción a través del experimento. Con un analizador de calidad de haz comercial, elradial y tangencial M2 se midieron para ser 1.16 y1.18 bajo la potencia de salida máxima de 2.3 W. La longitud de onda de emisión del láser Q-switched todavía se centraba a 1063 nm, pero el FHWM era de 1.0 nm, que era un poco más amplio que 0.8 nm del láser de onda continua anterior. Esto puede seratribuido a dos razones. Una es la transición espontánea de la gran población de inversión acumulada a los subniveles inferiores de nivel excitado. Cuando el grafeno está saturado, la transición de los subniveles inferiores al nivel del sueloemitirían fotones a longitudes de onda largas. El otro es la dispersión normal extremadamente grande del grafeno [8].

Fig. 3. Tren de pulsos Q-switched bajo la potencia de bomba incidente de 0.9 W (a),

bajo la potencia de bomba incidente de 3.2 W (b), y bajo la potencia de bomba incidente de 6.5 W (c).

(d) 105-ns Q- perfil de pulso conmutado bajo la potencia de la bomba incidente de 6.5 W.

  Para el láser Q-switched con un grafeno SAM, la profundidad de modulación relacionada con el número de capas de grafeno juega un papel importante en la duración del pulso. Una profundidad de modulación alta puede acortar la duración del pulso. Además, bajo rendimientola transmisividad suele ser beneficiosa para el almacenamiento de energía y el umbral de láser bajo. Pero una alta transmisividad de salida es favorable para el láser de alta potencia desde el punto de vista de reducir la fluencia intracavitaria para evitar daños ópticos yresistir múltiples pulsos. Por lo tanto, el diseño futuro de grafeno SAM para la generación de pulsos Q-switched de alta energía debería centrarse en la optimización del número de capas de grafeno y la transmitividad SAM.

4. Conclusión

  En este artículo, se ha demostrado el rendimiento eficiente del grafeno SAM en los láseres de estado sólido Q-switched. Se obtienen 2.3 W de potencia de salida promedio y 3.2 μJ de energía de pulso. Nuestros resultados muestran que el grafeno puede seraplicado para generar pulsos estables de alta energía a una tasa de repetición en el rango de decenas a cientos kHz.