Impulsi laser ad alta energia con alta frequenza di ripetizione mediante laser a stato solido Q-switched a grafene

Astratto: Abbiamo dimostrato che il grafene potrebbe essere utilizzato come un efficace assorbitore saturabile per i laser a stato solido Q-switched. Uno specchio assorbente saturabile di grafene è stato fabbricato con fogli di grafene di grandi dimensioni e di alta qualità privatil'esfoliazione in fase liquida. Usando questo specchio, gli impulsi a 105-ns e la potenza di uscita media di 2,3-W sono ottenuti da un laser passivo Q-switched Nd: GdVO4. L'energia massima dell'impulso è 3,2 μJ. L'efficienza della pendenza raggiunge il 37%si avvicina al 40% del laser ad onda continua, indicando una bassa perdita intrinseca del grafene.

  1. Introduzione

  La commutazione Q, nota anche come formazione di impulsi giganti, consente la produzione di impulsi luminosi con una potenza di picco estremamente elevata, molto più elevata di quella che sarebbe generata dallo stesso laser se funzionasse in modalità onda continua. Questa tecnicatrova le sue applicazioni industriali e scientifiche che richiedono energia ad alto impulso, come la medicina, la geochimica e l'elaborazione dei materiali. In precedenza, i laser passivi Q-switched con specchi assorbitori saturabili a semiconduttore (SESAM) come Q-elementi di commutazione sono stati segnalati attivamente [1-4]. Tuttavia, questi SESAM richiedono fabbricazione e confezionamento complessi che ne limitino l'uso diffuso [5]. Quindi è fondamentale cercare nuovi materiali assorbitori saturabili a basso costo, ampiobanda di assorbimento e bassa perdita intrinseca.

  I recenti progressi rivelano che il grafene può essere usato come elemento di modulazione nel laser pulsato. Il grafene gode di chiari vantaggi rispetto agli assorbitori saturabili a semiconduttore convenzionali nella fotonica ultraveloce, come la dinamica ultraveloce del vettore[6,7], grande assorbimento ottico e profondità di modulazione [8,9]. La profondità di modulazione è superiore al 66,5% per i fogli di grafene a tre strati e cala in modo quasi lineare con l'aumento degli strati [8]. La grande profondità di modulazione èfavorevole per gli impulsi brevi [10]. E la profondità di modulazione controllabile consente di regolare la durata dell'impulso. Il lavoro precedente ha dimostrato che il grafene è un eccellente assorbitore saturabile in laser a fibra e laser a stato solido bloccati in modalità[8,11-15]. Molto recentemente è stato riportato anche il Q-switching del grafene. Yu e altri hanno ottenuto l'energia a impulso singolo 159.2-nJ e la durata dell'impulso a 161 ns da un laser Nd: YAG Q-switched mediante grafene cresciuto su carburo di silicio [16]. Popa et al.ha dimostrato le prestazioni del laser a fibra di grafene Q-switched con una singola energia di impulso di 40 nJ a 1,5 μm [17]. Qui, riportiamo l'applicazione di uno specchio assorbitore saturabile a base di grafene (SAM) in modo passivo pompato a diodi Q-acceso Nd: laser GdVO4. L'energia dell'impulso 3,2-μJ e la durata dell'impulso di 105-ns si ottengono con un'operazione di commutazione Q stabile.

  2. Preparazione e caratterizzazione del grafene

  Per ottenere fogli di grafene con dimensioni di decine di micron, abbiamo pretrattato la grafite esfoliata simile a verme (WEG) con l'ossidante prima dell'esfoliante. La grafite esfoliata è stata pre-ossidata in una miscela di acido solforico concentrato,perossodisolfato di potassio, ossido di fosforo (P2O5) a 90 ° C sotto agitazione. Al completamento di 4 ore, la miscela è stata versata in un grande becher contenente un'eccessiva acqua deionizzata, seguita da filtrazione e lavaggio fino al pH delil filtrato era vicino alla neutralità. La grafite così ottenuta è stata essiccata a 80 ° C per 24 ore. La grafite essiccata è stata ultrasonicata in 1-metil-2-pirrolidinone (NMP) in una fiala di vetro sigillata per 2 ore. La dispersione risultante è stata lasciataper 3 giorni per far precipitare le particelle insolubili. La soluzione surnatante è stata raccolta per la caratterizzazione. Il microscopio elettronico a scansione (SEM) e la microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione (HRTEM) sono stati utilizzati percaratterizzano il prodotto. I fogli di grafene con dimensioni laterali superiori a 20 μm possono essere chiaramente visti in Fig. 1 (a) e 1 (b). Lo schema di diffrazione di elettroni dell'area selezionata (SEAD) in Fig. 1 (c), mostra la tipica simmetria di sei volte prevista pergrafite / grafene. L'intensità del pattern suggerisce anche che l'area è un grafene monostrato a causa del fatto che il rapporto di intensità di I {1100} / I {2110} > 1 è una caratteristica unica per il grafene monostrato [18]. L'immagine frontale diil grafene in Fig. 1 (d) indica una spaziatura inter grafene di 0,34 nm.

Fig. 1. (a) Immagini SEM di fogli di grafene. (b) immagini HRTEM di fogli di grafene.

(c) Il modello SEAD mostra la simmetria di rotazione (d) HRTEM di grafene di sei volte

bordo dove si osservano le frange e la spaziatura interlaminare è 0,34-nm.

  3. Risultati e discussioni

  I fogli di grafene erano direttamente spin-rivestiti su un riflettore di vetro piano BK7 rivestito con strati dielettrici SiO2 / TiO2, che presentavano una riflettività del ~ 95% con una banda larga come nella figura 2 (a). La trasmissione del grafene SAM èmisurato in luoghi diversi. Le curve dei valori massimi e minimi sono indicate rispettivamente in Fig. 2 (a). La trasmissione del grafene SAM può essere descritta come

T=T (1-un)n

  doveTo, un,e n sono la trasmissione iniziale del substrato, l'assorbimento del grafene del monostrato e il numero degli strati di grafene rivestiti, rispettivamente. La trasmissione misurata è tra ~ 95,2% e 96,1% a 1063nm. Quindi si può concludere che gli strati del grafene rivestito vanno da 2 a 10.

  La disposizione schematica del laser Q-switched è mostrata in Fig. 2 (b). È stato utilizzato un risonatore a due specchi da 17 mm per valutare le prestazioni del grafene SAM. Il mezzo di guadagno era un Nd a taglio 3 × 3 × 5 mm3: GdVO4 con Nd3 +livello di drogaggio di 0,5 at.%. Per rimuovere il calore accumulato, abbiamo avvolto il cristallo con un foglio di indio e montato in un dissipatore di calore in rame con la temperatura mantenuta a 21 ° C dal raffreddamento ad acqua. Il cristallo è stato pompato a fondo da un laser accoppiato in fibraarray di diodi che emettono a 808 nm con 400 μm di diametro e 0,22 di apertura numerica. L'accoppiatore di ingresso era uno specchio concavo con un raggio di curvatura di 200 mm. È stato rivestito con antiriflesso a 808 nm e verniciato ad alta riflessione a 1063nm.

Fig. 2. (a) Spettri di trasmissività del substrato BK7 e grafene SAM. (b) Configurazione sperimentale del laser Q-switched.

(c) Potenza media in uscita rispetto alla potenza della pompa incidente per funzionamento a onda continua e Q-Switch (Q-S).

 (d) Durata dell'impulso e frequenza di ripetizione rispetto alla potenza della pompa incidente per l'operazione di commutazione Q.

  Inizialmente, abbiamo studiato le prestazioni del laser Nd: GdVO4 a onda continua (CW) con un riflettore BK7 (lo stesso del substrato del grafene SAM) come accoppiatore di uscita. L'operazione laser è stata realizzata alla potenza della pompa di soglia di0,18 W. La potenza di uscita è riportata in Fig. 2 (c) in funzione della potenza della pompa incidente (Pin). La potenza in uscita di 2,5-W è stata ottenuta sotto la potenza della pompa incidente di 6,5 W, con un'efficienza ottico-ottica del 38% e una pendenzaefficienza del 40%. Durante l'esperimento non è stata osservata alcuna commutazione Q automatica. L'emissione laser è centrata a 1063 nm con una larghezza massima a metà massima (FWHM) di ~ 0,8 nm. Questi risultati hanno rivelato le buone proprietà del laser del nostro Nd: GdVO4.

  Quando il grafene SAM è stato sostituito con il riflettore BK7 come mostrato nella figura 2 (b), ill'oscillazione laser a impulsi è stata raggiunta non appena la potenza della pompa incidente ha superato la soglia di 0,22 W. La relazione tra la potenza di uscita media e la potenza della pompa incidente è riportata in Fig. 2 (c). Può essere visto nella mediala potenza di uscita aumenta linearmente con la potenza della pompa incidente. Nessuna saturazione della pompa è stata osservata anche se la potenza della pompa incidente è aumentata a 6,5 ​​W. Con questa potenza della pompa incidente, è stata ottenuta una potenza di uscita media di 2,3 W, leggermenteinferiore a quello in condizioni di onda continua di un fattore dell'8%. Le corrispondenti efficienze ottico-ottico e pendenza erano rispettivamente del 35% e del 37%. Una prestazione così buona significa che la perdita intrinseca del grafene è alivello molto basso. L'ampiezza dell'impulso (τ) e la frequenza di ripetizione (f) in base alla potenza della pompa incidente sono state registrate da un oscilloscopio digitale e presentate in Fig. 2 (d). La figura mostra un rapido calo da 1435 ns a un dato minimo di 105 nsin larghezza di impulso con l'aumento della potenza della pompa dalla soglia a 6,5 ​​W, mentre è stato osservato un aumento della frequenza di ripetizione da 305 a 704 kHz. L'alta frequenza di ripetizione può essere dovuta al tempo di rilassamento ultraveloce del grafene (0.4 ~ 1.7ps [7]) e la sezione trasversale di emissione stimolata relativamente grande di Nd: GdVO4. [19]. In base alla potenza media di uscita e alla frequenza di ripetizione degli impulsi, l'energia massima a impulso singolo di 3,2 μJ è stata realizzata sotto la potenza della pompa incidenteTuttavia, va sottolineato che l'ampiezza dell'impulso e la frequenza di ripetizione nella Fig. 2 (d) sotto la potenza della pompa incidente al di sotto di 2,9 W sono il valore medio approssimativo, perché in questa regione della pompa l'operazione Q-switched eralontano da stabile (l'impulso si allena sotto la potenza della pompa di 0.9 W è presentato in Fig. 3 (a) come esempio). Questo è ragionevole, considerando che il grafene non può essere completamente saturo con un basso potere intracavitario. La fluttuazione delle misurazioni erano comprese nel ~ 20% del valore medio. L'operazione di commutazione Q è passata ad un regime stabile sotto un livello di potenza della pompa incidente superiore a 2,9 W (come la Fig. 3 (b) registrato alla potenza della pompa di 3,2 W), corrispondente ad unIntensità di intracavità di ~ 0.926 MWcm-2 sui fogli di grafene, che era vicino all'intensità di saturazione di 0,87 MWcm-2 riportato nel rif. [8,12]. I treni di impulsi temporali e profilo a singolo impulso con frequenza di ripetizione di 704 kHz edurata dell'impulso di 105 ns sono stati ottenuti sotto la potenza di uscita di 2,3 W, come illustrato in Fig. 3 (c) e Fig. 3 (d). La qualità del raggio è stata trovata vicino al limite di diffrazione attraverso l'esperimento. Con un analizzatore di qualità del raggio commerciale, ilradiale e tangenziale M2 sono stati misurati per essere 1.16 e1,18 sotto la potenza massima di uscita di 2,3 W. La lunghezza d'onda di emissione del laser Q-switched era ancora centrata a 1063 nm, ma l'FHWM era 1,0 nm che era un po 'più largo di 0,8 nm del precedente laser ad onda continua. Questo può essereattribuito a due ragioni. Uno è la transizione spontanea della grande popolazione di inversione accumulata ai livelli inferiori inferiori del livello eccitato. Quando il grafene è saturo, la transizione dai livelli inferiori inferiori al livello del suoloemetterebbe fotoni a lunghe lunghezze d'onda. L'altro è la dispersione normale estremamente grande di grafene [8].

Fig. 3. Treno di impulsi Q-switched sotto la potenza della pompa incidente di 0,9 W (a),

sotto la potenza della pompa incidente di 3,2 W (b), e sotto la potenza della pompa incidente di 6,5 W (c).

(d) Profilo dell'impulso Q-105-ns sotto la potenza della pompa incidente di 6,5 W.

  Per la laser Q-switched con un SAM grafene, la profondità di modulazione correlata al numero degli strati di grafene gioca un ruolo importante nella durata dell'impulso. Un'alta profondità di modulazione può ridurre la durata dell'impulso. Inoltre, bassa potenzala trasmittività è di solito benefica per l'accumulo di energia e la bassa soglia del laser. Ma una trasmittività ad alto rendimento è favorevole per il laser ad alta potenza dal punto di vista della riduzione della fluidità intracavitaria per evitare danni ottici eresistere a impulsi multipli. Pertanto la progettazione futura del grafene SAM per la generazione di impulsi Q-switched ad alta energia dovrebbe essere focalizzata sull'ottimizzazione del numero di strati di grafene e della trasmittività SAM.

4. Conclusione

  In questo articolo, è stata dimostrata la performance efficiente del grafene SAM sui laser a stato solido Q-switched. Si ottengono 2,3 W di potenza di uscita media e 3,2 μJ di energia di impulso. I nostri risultati mostrano che il grafene può essereapplicato per generare impulsi stabili ad alta energia ad una frequenza di ripetizione nell'intervallo da decine a centinaia kHz.