Velké energetické laserové impulzy s vysokou frekvencí opakování pomocí grafénového Q-switched solid-state laseru

Abstraktní: Ukázali jsme, že grafen může být použit jako účinný saturovatelný absorbér pro Q-switched polovodičové lasery. Grafénové nasycené absorpční zrcadlo bylo vyrobeno z velkých a vysoce kvalitních grafénových plechů zbavenýchodfarbování kapalné fáze. Při použití tohoto zrcadla jsou získány impulsy 105 impulsů a průměrný výstupní výkon 2,3 W z pasivního Q-switched Nd: GdVO4 laseru. Maximální pulzní energie je 3,2 μJ. Účinnost svahu je až 37%přibližně 40% laseru s pokračující vlnou, což naznačuje nízkou vnitřní ztrátu grafenu.

  1. Úvod

  Přepínání Q, známé také jako obrovská tvorba impulzů, umožňuje výrobu světelných impulzů s extrémně vysokým špičkovým výkonem, mnohem vyšší, než by byl generován stejným laserem, pokud by pracoval v režimu s nepřetržitým vlněním. Tato technikanachází své průmyslové a vědecké aplikace vyžadující vysokou impulsní energii, jako je lékařství, geochemie a zpracování materiálů. Dříve pasivně lasery s přepínatelným Q signálem s polovodičovými nasycenými absorpčními zrcadly (SESAM) jako Q-spínací prvky byly aktivně hlášeny [1-4]. Tyto SESAM však vyžadují složitou výrobu a balení, které omezují jejich rozšířené použití [5]. Proto je důležité hledat nové nasycené absorbéry s nízkými náklady, širokýmiabsorpčního pásma a nízké vnitřní ztráty.

  Nedávný pokrok odhaluje, že grafen může být použit jako modulační prvek v impulsním laseru. Grafen vykazuje zřetelné výhody oproti konvenčním polovodičovým nasyceným absorbérem v ultrafialové fotonici,[6,7], velká optická absorpce a hloubka modulace [8,9]. Hloubka modulace je u třívrstvých grafenových fólií vyšší o 66,5% a při nárůstu vrstev téměř klesá [8]. Velká hloubka modulace jepříznivé pro krátké impulsy [10]. A regulovatelná hloubka modulace umožňuje nastavit trvání impulsu. Dosavadní práce ukázaly, že grafen je vynikajícím nasyceným absorbérem v laserech s vlákny uzamčenými modelem a lasery v pevné fázi[8,11-15]. Velmi nedávno bylo také hlášeno přepínání Q v grafenu. Yu a kol získá 159,2-NJ jeden puls energie a 161- ns trvání impulsu z Nd: YAG laseru Q-spínaný grafenu pěstovány na karbidu křemíku [16]. Popa et al.demonstrovalo výkon vláknového laseru s přepínatelným grafem Q s jednou impulsní energií 40 nJ při 1,5 μm [17]. Uvádíme zde použití nasyceného zrcadla absorbéru na bázi grafinu (SAM) v pasivním Q-přepnul Nd: laser GdVO4. 3,2-μJ pulzní energie a 105-ns trvání impulsu jsou získány se stabilní Q-spínací operací.

  2.Příprava a charakterizace grafenu

  Abychom získali grafenové desky o velikosti desítek mikronů, před exfoliací jsme předem ošetřili exfoliovaný grafit (WEG) podobný šneku s oxidačním činidlem. Exfoliovaný grafit byl předoxidován ve směsi koncentrované kyseliny sírové,peroxodisíran draselný, oxid fosforečný (P2O5) při 90 ° C za míchání. Po dokončení 4 hodin byla směs nalita do velké kádinky obsahující nadbytečnou deionizovanou vodu, následovala filtrace a promytí, dokud pHfiltrát byl téměř neutrální. Takto získaný grafit se suší při teplotě 80 ° C po dobu 24 hodin. Vysušený grafit se ultrazvukoval v 1-methyl-2-pyrrolidinonu (NMP) v uzavřené skleněné lahvičce po dobu 2 hodin. Výsledná disperze byla ponechánapo dobu 3 dnů, aby se vysrážely veškeré nerozpustné částice. Supernatantový roztok byl shromážděn pro charakterizaci. Byly použity skenovací elektronový mikroskop (SEM) a přenosová elektronová mikroskopie s vysokým rozlišením (HRTEM)charakterizovat produkt. Grafénové desky s bočním rozměrem přes 20 μm lze jasně vidět na obr. 1 (a) a 1 (b). Vybraná oblast elektronového difrakce (SEAD) na obr. 1 (c) ukazuje typickou šestnásobnou symetrii očekávanou prografit / grafen. Intenzita vzoru také naznačuje, že oblast je monovrstvou grafenu vzhledem k tomu, že poměr intenzity I {1100} / I {2110} > 1 je unikátní vlastnost pro monovrstvý grafen [18]. Okrajový obraz obrázkugrafenu na obr. 1 (d) označuje meziprostorovou vzdálenost 0,34 nm.

Obr. 1. (a) obrazy SEM grafenových listů. (b) obrázky HRTEM grafenových listů.

(c) model SEAD ukazuje šestinásobnou rotační symetrii (d) HRTEM obraz grafenu

okraje, kde jsou pozorovány prameny a mezilaminová vzdálenost je 0,34 nm.

  3. Výsledek a diskuse

  Grafenové desky byly přímo naneseny na plochý skleněný reflektor pokrytý dielektrickými vrstvami SiO2 / TiO2, které měly odrazivost ~ 95% se širokým pásem jako na obr. 2 (a). Vysílání gramatického SAM jeměřeno na různých místech. Křivky maximálních a minimálních hodnot jsou uvedeny na obr. 2 (a). Přenos graphenu SAM může být popsán jako

T=T (1-A).n

  kdeTÓ, A,a n jsou počáteční přenos substrátu, absorpce monovrstvého grafenu a počet potažených grafénových vrstev. Naměřený přenos je mezi ~ 95,2% a 96,1% při 1063nm. Dá se tedy dospět k závěru, že vrstvy potaženého grafenu se pohybují od 2 do 10.

  Schematické uspořádání Q-spínaného laseru je znázorněno na obr. 2 (b). Pro hodnocení výkonu graphenu SAM byl použit 17mm dlouhý dvouzrcadlový rezonátor. Ziskové médium bylo Nd: GdVO4 s Nd3 + o rozměru 3 × 3 × 5 mm3dopingová hladina 0,5%. K odstranění uloženého tepla jsme zabalili krystal s indiovou fólií a namontovali ji do měděného chladiče s teplotou udržovanou na 21 ° C chlazením vodou. Křišťál byl nakonec čerpán laserem s vláknydiodové pole emitující při 808 nm o průměru 400 um a číselné cloně 0,22. Vstupní spojka byla konkávní zrcadlo s poloměrem zakřivení 200 mm. Byla antireflexní povlakem při 808 nm a povlakem s vysokým odrazem v 1063nm.

Obrázek 2. (a) Spektrá propustnosti substrátu BK7 a graphenu SAM. (b) Experimentální nastavení Q-switched laseru.

(c) Průměrný výstupní výkon ve srovnání s příkonem čerpadla pro provoz s kontinuální a Q-spínací (Q-S).

 (d) Šířka impulsu a frekvence opakování versus napájecí proud čerpadla pro provoz Q-přepínání.

  Zpočátku jsme zkoumali výkonnost laseru Nd: GdVO4 s plynulou vlnou (CW) s reflektorem BK7 (stejný jako substrát graphenu SAM) jako výstupní vazební člen. Operace laseru byla provedena při výkonu prahového čerpadla0,18 W. Výstupní výkon je vynesen na obr. 2 (c) jako funkce příkonu čerpadla (Pin). Výstupní výkon 2,5 W byl získán za dopadový výkon čerpadla 6,5 ​​W, což vedlo k optickému výkonu až 38% a sklonuúčinnost 40%. Během experimentu nebylo pozorováno žádné Q-přepnutí. Vyzařování laseru se centrem při 1063 nm s plnou šířkou při polovině maxima (FWHM) ~ 0,8 nm. Tyto výsledky odhalily dobré vlastnosti laseru našeho Nd: GdVO4.

  Když byl grafen SAM nahrazen reflektorem BK7, jak je znázorněno na obr. 2 (b),pulzní laserová oscilace byla dosažena okamžitě poté, co příkon čerpadla překročil prahovou hodnotu 0,22 W. Na obr. 2 (c) je vynesen vztah mezi průměrným výkonem a výkonem přívodní pumpy. Vidí to průměrvýstupní výkon se zvyšuje lineárně s příkonem čerpadla. Žádná saturace čerpadla nebyla pozorována ani v případě, že se výkon přívodní pumpy zvýšil na 6,5 ​​W. Při tomto příhodném výkonu čerpadla byl získán průměrný výstupní výkon 2,3 W, mírněnižší než pod podmínkou kontinuální vlny o faktor 8%. Odpovídající opticko-optická účinnost a účinnost sklonu byly 35% a 37%. Takový dobrý výkon znamená, že vnitřní ztráta grafenu je u avelmi nízká úroveň. Šířka impulsů (t) a frekvence opakování (f) v závislosti na příkonu čerpadla byla zaznamenána digitálním osciloskopem a zobrazena na obr. 2 (d). Obrázek ukazuje rychlý pokles z 1435 ns na minimální hodnotu 105 nsv šířce impulsu se zvýšením výkonu čerpadla z prahu na 6,5 ​​W, zatímco byl zaznamenán nárůst opakovací frekvence od 305 do 704 kHz. Vysoká rychlost opakování může být způsobena ultrarychlou relaxační dobou grafenu (0,4 ~ 1,7ps [7]) a poměrně velký stimulovaný emisní průřez Nd: GdVO4. [19]. Podle průměrného výstupního výkonu a frekvence opakování impulzů byla realizována maximální impulsová energie 3,2 μJ pod příkon5.3 W. Mělo by se však zdůraznit, že šířka impulsu a frekvence opakování na obr. 2 (d) pod příčinou příkonu čerpadla pod 2,9 W jsou přibližnou průměrnou hodnotou, protože v této oblasti čerpadla byla operace Q-switchedaleko od stabilní (impulsní vlaky pod výkonem čerpadla 0,9 W jsou na obr. 3 (a) uvedeny jako příklad). To je přiměřené, vzhledem k tomu, že grafen nemohl být plně nasycen při nízkém vnitřním výkonu. Kolísáníměření bylo v rozmezí ~ 20% průměrné hodnoty. Spínací operace Q se přeměnila na stabilní režim při příkonové úrovni čerpadla vyšší než 2,9 W (jako je obr. 3 (b) zaznamenané při výkonu čerpadla 3,2 W), což odpovídáintenzita intracavity ~ 0,926 MWcm-2 na grafenových deskách, které byly blízké intenzitě saturace 0,87 MWcm-2 uvedeno v Ref. [8,12]. Časové impulzní vlaky a jeden impulsní profil s opakovací frekvencí 704 kHz atrvání impulzu 105 ns bylo dosaženo pod výstupním výkonem 2,3 W, jak je znázorněno na obr. 3 (c) a obr. 3 (d). Bylo zjištěno, že kvalita paprsku je v blízkosti experimentální hranice difrakčního limitu. S analyzátorem kvality komerčního paprskuradiální a tangenciální M2 byly měřeny na 1,16 a1,18 při maximálním výstupním výkonu 2,3 ​​W. Emisní vlnová délka Q-spínaného laseru byla stále centrována při 1063 nm, ale FHWM byla 1,0 nm, což bylo o něco menší než 0,8 nm předchozího laseru s plynulou vlnou. To může býtpřipsáno ze dvou důvodů. Jedním z nich je spontánní přechod velké nahromaděné populace inverzní populace na nižší pod úrovně vzrušené úrovně. Když je nasycený grafen, přechod z nižších dílčích úrovní na úroveň zeměby vysílaly fotony v dlouhé vlnové délce. Druhá je extrémně velká normální disperze grafenu [8].

Obr. 3. Q-spínaný pulsní vlak pod příkonem čerpadla 0,9 W (a),

pod příčinou příkonu čerpadla 3,2 W (b) a pod příčinou výkonu čerpadla 6,5 ​​W (c).

(d) 105-ns Q-spínaný impulsní profil pod příkonem čerpadla o výkonu 6,5 W.

  Pro laserem s přepínáním Q s graphenou SAM hraje hloubka modulace v závislosti na počtu vrstev grafenu důležitou roli v trvání impulsu. Vysoká hloubka modulace může zkrátit dobu trvání impulsu. Navíc, nízký výkonvysílací schopnost je obvykle prospěšná pro skladování energie a nízkou prahovou hodnotu laseru. Vysoce výkonná přenosová schopnost je však příznivá pro vysoce výkonný laser z hlediska snížení fluktuace intracavity, aby se zabránilo optickému poškození aodolávají více impulzům. Budoucí konstrukce graphenu SAM pro generování vysokoenergetických impulzů s Q-switchem by měla být zaměřena na optimalizaci počtu vrstev graphenu a přenosu SAM.

4. Závěr

  V tomto článku byl prokázán účinný výkon graphenu SAM na Q-switched polovodičových laserech. Jsou získány hodnoty 2,3 W průměrného výstupního výkonu a 3,2 μJ pulzní energie. Naše výsledky ukazují, že grafen může býtaplikované pro generování vysokoenergetických stabilních impulzů s opakovací frekvencí v rozsahu desítek až stovek kHz.