Pulsos de laser de alta energia com alta taxa de repetição por grafeno laser de estado sólido Q-switched

Abstrato: Nós demonstramos que o grafeno poderia ser usado como um absorvedor saturável efetivo para lasers de estado sólido Q-switched. Um espelho absorvente de grafeno saturável foi fabricado com folhas de grafeno grandes e de alta qualidade privadas dea esfoliação em fase líquida. Usando este espelho, pulsos de 105 ns e potência de saída média de 2,3 W são obtidos de um laser Nd: GdVO4 passivamente Q-comutado. A energia máxima do pulso é de 3,2 μJ. A eficiência da inclinação é tão alta quanto 37%aproximando-se de 40% do laser de ondas contínuas, indicando uma baixa perda intrínseca do grafeno.

  1. Introdução

  A comutação Q, também conhecida como formação de pulso gigante, permite a produção de pulsos de luz com potência de pico extremamente alta, muito maior do que seria gerada pelo mesmo laser se estivesse operando em um modo de onda contínua. Essa técnicaencontra suas aplicações industriais e científicas que exigem alta energia de pulso, como medicina, geoquímica e processamento de materiais. Anteriormente, os lasers passivamente Q-switched com espelhos absorvedores semicondutores saturáveis ​​(SESAMs) como Q-elementos de comutação foram relatados ativamente [1-4]. No entanto, estes SESAMs requerem fabricação e embalagem complexas que limitam seu uso difundido [5]. Por isso, é crucial procurar novos materiais absorventes saturáveis ​​com baixo custo,faixa de absorção e baixa perda intrínseca.

  Um progresso recente revela que o grafeno pode ser usado como um elemento de modulação no laser pulsado. O grafeno possui vantagens claras em relação aos absorvedores saturáveis ​​semicondutores convencionais em fotônica ultra-rápida, como a dinâmica de transporte ultra-rápida[6,7], grande absorção óptica e profundidade de modulação [8,9]. A profundidade de modulação é tão alta quanto 66,5% para as folhas de grafeno de três camadas, e quase linearmente cai com o aumento das camadas [8]. A grande profundidade de modulação éfavorável para pulsos curtos [10]. E a profundidade de modulação controlável permite ajustar a duração do pulso. Trabalhos anteriores provaram que o grafeno é um excelente absorvedor saturável de lasers de fibra com bloqueio de modo e lasers de estado sólido[8,11-15]. Muito recentemente, o grafeno Q-switching também foi relatado. Yu et al obtiveram 159.2-nJ energia de pulso único e duração de pulso de 161ns de um laser de Nd: YAG Q-switched por grafeno crescido em carbeto de silício [16]. Popa et al.demonstraram o desempenho do laser de grafeno Q-switched com uma única energia de pulso de 40 nJ a 1,5 µm [17]. Aqui, nós relatamos sobre a aplicação de um espelho absorvente saturável baseado em grafeno (SAM) em Q de bombeio passivo passivamentecomutado Nd: GdVO4 laser. Energia de pulso de 3,2 μJ e duração de pulso de 105 ns são obtidas com uma operação estável de Q-switching.

  2.Preparação e caracterização do grafeno

  A fim de obter folhas de grafeno com tamanho de dezenas de microns, nós pré-tratamos grafite exfoliado (WEG) com oxidante antes de esfoliar. A grafite esfoliada foi pré-oxidada em uma mistura de ácido sulfúrico concentrado,peroxodissulfato de potássio, óxido de fósforo (P2O5) a 90 ° C sob agitação. No final de 4 horas, a mistura foi vertida para um copo grande contendo água desionizada em excesso, seguida por filtração e lavagem até o pH deo filtrado estava perto do neutro. A grafite obtida foi seca a 80 ° C durante 24 horas. A grafite seca foi ultrassonica em 1-metil-2-pirrolidinona (NMP) num frasco de vidro selado durante 2 horas. A dispersão resultante foi deixadadurante 3 dias para precipitar quaisquer partículas insolúveis. A solução sobrenadante foi coletada para caracterização. O microscópio eletrônico de varredura (MEV) e microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (HRTEM) foram usados ​​paracaracterizar o produto. As folhas de grafeno com tamanho lateral acima de 20 µm podem ser claramente vistas na figura 1 (a) e 1 (b). O padrão de difração de elétrons (SEAD) da área selecionada na Fig. 1 (c) mostra a simetria típica de seisgrafite / grafeno. A intensidade do padrão também sugere que a área é um grafeno monocamada devido ao fato de que a razão de intensidade de I {1100} / I {2110} > 1 é uma característica única para o grafeno em monocamada [18]. A imagem de ponta degrafeno na Fig. 1 (d) indica um espaçamento inter-grafeno de 0,34 nm.

Fig. 1. (a) Imagens SEM de folhas de grafeno. (b) imagens HRTEM de folhas de grafeno.

(c) O padrão SEAD mostra a simetria rotacional de seis vezes (d) imagem HRTEM do grafeno

borda onde as franjas são observadas e o espaçamento interlaminar é de 0,34 nm.

  3 Resultados e discussão

  As folhas de grafeno foram diretamente revestidas por spin sobre um refletor de vidro plano BK7 revestido com camadas dielétricas SiO2 / TiO2, que tinham uma refletividade de ~ 95% com uma banda larga, como na Fig. 2 (a). A transmissão do grafeno SAM émedido em diferentes locais. As curvas dos valores máximo e mínimo são dadas na Fig. 2 (a), respectivamente. A transmissão do grafeno SAM pode ser descrita como

T=T (1-uma)n

  OndeTo, uma,e n são a transmissão inicial do substrato, a absorção do grafeno em monocamada e o número das camadas de grafeno revestidas, respectivamente. A transmissão medida está entre ~ 95.2% e 96.1% em 1063nm. Assim, pode concluir-se que as camadas do grafeno revestido variam de 2 a 10.

  A disposição esquemática do laser Q-switched é mostrada na Fig. 2 (b). Um ressonador de dois-espelho de 17 mm de comprimento foi usado para avaliar o desempenho do grafeno SAM. O meio de ganho foi um Nd: GdVO4 de 3 × 3 × 5 mm3 a-cut com o Nd3 +nível de dopagem de 0,5%. Para remover o calor armazenado, embrulhámos o cristal com folha de índio e o montamos em um dissipador de calor de cobre com a temperatura mantida a 21 ° C por resfriamento a água. O cristal foi bombeado por um laser de fibraarranjo de diodos emitindo a 808 nm com 400 μm de diâmetro e 0,22 em abertura numérica. O acoplador de entrada era um espelho côncavo com um raio de curvatura de 200 mm. Antirreflexo revestido a 808 nm e revestido com alta reflexão em 1063nm.

Fig. 2. (a) Espectros de transmissibilidade do substrato BK7 e do grafeno SAM. (b) Configuração experimental do laser Q-switched.

(c) Potência de saída média versus potência da bomba incidente para operação de onda contínua e Q-switching (Q-S).

 (d) Largura de pulso e taxa de repetição versus potência da bomba incidente para operação com Q-switching.

  Inicialmente, investigamos o desempenho do laser Nd: GdVO4 de onda contínua (CW) com um refletor BK7 (o mesmo que o substrato do grafeno SAM) como acoplador de saída. A operação do laser foi realizada com a potência limite da bomba de0,18 W. A potência de saída é plotada na Fig. 2 (c) como uma função da potência da bomba incidente (Pin). A potência de saída de 2,5 W foi obtida sob a potência da bomba incidente de 6,5 W, resultando em uma eficiência ótico-a-óptica de 38% e uma inclinaçãoeficiência de 40%. Não houve mudança de Q durante o experimento. A emissão de laser centrou-se em 1063 nm com uma largura total na metade do máximo (FWHM) de ~ 0,8 nm. Estes resultados revelaram as boas propriedades do laser do nosso Nd: GdVO4.

  Quando o grafeno SAM foi substituído pelo refletor BK7 como mostrado na Fig. 2 (b), oA oscilação do laser pulsado foi obtida assim que a potência da bomba incidente excedeu o limite de 0,22 W. A relação entre a potência média de saída e a potência da bomba incidente é plotada na Fig. 2 (c). Pode ser visto a médiaa potência de saída aumenta linearmente com a potência da bomba incidente. Nenhuma saturação da bomba foi observada mesmo se a potência da bomba incidente aumentasse para 6,5 ​​W. Sob essa potência de bomba incidente, uma potência de saída média de 2,3 W foi obtida, ligeiramentemenor do que sob condição de onda contínua por um fator de 8%. As eficiências óptica-óptica e de inclinação correspondentes foram de 35% e 37%, respectivamente. Um desempenho tão bom significa que a perda intrínseca do grafeno está em umnível muito baixo. A largura de pulso (τ) e a taxa de repetição (f), dependendo da potência da bomba incidente, foram registradas por um osciloscópio digital e apresentadas na Fig. 2 (d). A figura mostra uma queda rápida de 1435 ns para um mínimo de 105 nsem largura de pulso com o aumento da potência da bomba do limiar para 6,5 ​​W, enquanto um aumento na taxa de repetição de 305 para 704 kHz foi observado. A alta taxa de repetição pode ser devida ao tempo de relaxamento ultra-rápido do grafeno (0,4 a 1,7ps [7]) e a seção transversal de emissão estimulada relativamente grande de Nd: GdVO4. [19] De acordo com a potência de saída média e taxa de repetição de pulso, a energia máxima de pulso único de 3,2 μJ foi realizada sob o poder da bomba incidentede 5.3 W. No entanto, deve ser apontado a largura de pulso e taxa de repetição na Figura 2 (d) sob a potência da bomba incidente abaixo de 2,9 W são o valor médio aproximado, porque nesta região da bomba a operação Q-switched foilonge de estável (os trens de pulso sob a potência da bomba de 0,9 W são apresentados na Fig. 3 (a) como um exemplo). Isso é razoável, considerando que o grafeno não pode ser totalmente saturado com baixo poder intracavitário. A flutuação doas medições estavam dentro de ~ 20% do valor médio. A operação de troca Q mudou para um regime estável sob um nível de potência da bomba incidente superior a 2,9 W (como na Figura 3 (b) registrada na potência da bomba de 3,2 W), correspondendo a umintensidade intracavitária de ~ 0,926 MWcm-2 nas folhas de grafeno, próximo da intensidade de saturação de 0,87 MWcm-2 relatado na Ref. [8,12]. Os trens de pulso temporais e perfil de pulso único com taxa de repetição de 704 kHz ea duração de pulso de 105 ns foi obtida sob a potência de saída de 2,3 W, como mostrado na Fig. 3 (c) e na Fig. 3 (d). A qualidade do feixe foi encontrada perto do limite de difração através do experimento. Com um analisador de qualidade de feixe comercial, oM2 radial e tangencial foram medidos como 1,16 e1,18 sob a potência máxima de saída de 2,3 W. O comprimento de onda de emissão do laser Q-switched ainda se concentrava em 1063 nm, mas o FHWM era 1,0 nm, que era um pouco mais amplo que 0,8 nm do laser de onda contínua anterior. Isso pode seratribuído a duas razões. Uma é a transição espontânea da grande população de inversão acumulada para os subníveis inferiores do nível excitado. Quando o grafeno está saturado, a transição dos subníveis mais baixos para o nível do soloEmitiria fótons em comprimentos de onda longos. A outra é a dispersão normal extremamente grande do grafeno [8].

Fig. 3. Trem de pulsos Q-switched sob a potência da bomba incidente de 0,9 W (a),

sob a potência da bomba incidente de 3,2 W (b) e sob a potência da bomba incidente de 6,5 W (c).

(d) 105-ns Q- comutou o perfil de pulso sob a potência da bomba incidente de 6,5 W.

  Para o laser de Q-comutado com um grafeno SAM, a profundidade de modulação relacionada ao número de camadas de grafeno desempenha um papel importante na duração do pulso. Uma alta profundidade de modulação pode encurtar a duração do pulso. Além disso, baixa produçãoA transmissividade é geralmente benéfica para o armazenamento de energia e baixo limiar de laser. Mas uma alta transmissividade de saída é favorável para o laser de alta potência do ponto de vista da redução da fluência intracavitária para evitar danos ópticos eresistir a vários pulsos. Assim, o design futuro do grafeno SAM para a geração de pulsos Q-switched de alta energia deve ser focado na otimização do número da camada de grafeno e da transmitância SAM.

4. Conclusão

  Neste artigo, foi demonstrado o desempenho eficiente do grafeno SAM nos lasers de estado sólido Q-switched. 2,3 W de potência de saída média e 3,2 μJ de energia de pulso são obtidos. Nossos resultados mostram que o grafeno pode seraplicado para gerar pulsos estáveis ​​de alta energia a uma taxa de repetição na faixa de dezenas a centenas de kHz.