Impulsions laser à grande énergie avec taux de répétition élevé par laser à graphène Q-switch graphène

Abstrait: Nous avons démontré que le graphène pouvait être utilisé comme absorbant saturable efficace pour les lasers à semi-conducteurs Q-switch. Un miroir absorbant saturable en graphène a été fabriqué avec de grandes feuilles de graphène de haute qualité, dépourvuesl'exfoliation en phase liquide. À l'aide de ce miroir, des impulsions de 105 ns et une puissance de sortie moyenne de 2,3 W sont obtenues à partir d'un laser Nd: GdVO4 à commutation passive. L'énergie d'impulsion maximale est de 3,2 µJ. L'efficacité de la pente est aussi élevée que 37%approximativement à 40% du laser à onde continue, indiquant une faible perte intrinsèque du graphène.

  1. Introduction

  La commutation Q, également appelée formation d'impulsions géantes, permet de produire des impulsions lumineuses avec une puissance de pointe extrêmement élevée, bien supérieure à celle qui serait générée par le même laser s'il fonctionnait en mode onde continue. Cette techniquetrouve ses applications industrielles et scientifiques nécessitant une énergie d'impulsion élevée, telles que la médecine, la géochimie et le traitement des matériaux. Auparavant, les lasers à commutation passive Q avec miroirs à absorbeur saturable à semi-conducteur (SESAM) en tant que Q-les éléments de commutation ont été activement rapportés [1–4]. Cependant, ces SESAM nécessitent une fabrication et un conditionnement complexes, ce qui limite leur utilisation généralisée [5]. Il est donc crucial de rechercher de nouveaux matériaux absorbants saturables à faible coûtbande d'absorption et faible perte intrinsèque.

  Les progrès récents montrent que le graphène peut être utilisé comme élément de modulation dans le laser pulsé. Le graphène présente des avantages évidents par rapport aux absorbants saturables semi-conducteurs conventionnels en photonique ultrarapide, telle que la dynamique des porteurs ultra-rapides.[6,7], absorption optique importante et profondeur de modulation [8,9]. La profondeur de modulation atteint 66,5% pour les feuilles de graphène à trois couches et diminue presque linéairement avec l’augmentation des couches [8]. La grande profondeur de modulation estfavorable pour des impulsions courtes [10]. Et la profondeur de modulation contrôlable permet d’ajuster la durée de l’impulsion. Des travaux antérieurs ont prouvé que le graphène est un excellent absorbant saturable dans les lasers à fibre à mode bloqué et les lasers à l'état solide[8,11-15]. Très récemment, une commutation Q du graphène a également été rapportée. Yu et al ont obtenu une énergie d'impulsion unique de 159,2-nJ et une durée d'impulsion de 161 ns d'un laser Nd: YAG déclenché par du graphène sur du carbure de silicium [16]. Popa et al.a démontré les performances du laser à fibre graphène Q-switch avec une énergie d'impulsion unique de 40 nJ à 1,5 µm [17]. Nous rapportons ici l’application d’un miroir d’absorbant saturable (SAM) à base de graphène dans le filtre Q-pompé passivement.laser Nd: GdVO4 commuté. Une énergie d'impulsion de 3,2 µJ et une durée d'impulsion de 105 ns sont obtenues avec une opération de commutation Q stable.

2.Préparation et caractérisation du graphène

  Afin d’obtenir des feuilles de graphène d’une taille de quelques dizaines de microns, nous avons prétraité le graphite exfolié ressemblant à un ver (WEG) avec un oxydant avant l’exfoliation. Le graphite exfolié a été pré-oxydé dans un mélange d’acide sulfurique concentré,peroxodisulfate de potassium, oxyde de phosphore (P2O5) à 90 ° C sous agitation. Au bout de 4 heures, le mélange a été versé dans un grand bécher contenant une quantité excessive d'eau désionisée, puis filtré et lavé jusqu'à l'obtention du pH dele filtrat était presque neutre. Le graphite tel que obtenu a été séché à 80 ° C pendant 24 heures. Le graphite séché a été traité par ultrasons dans de la 1-méthyl-2-pyrrolidinone (NMP) dans un flacon en verre scellé pendant 2 heures. La dispersion résultante a été laisséependant 3 jours pour précipiter les particules insolubles. La solution surnageante a été recueillie pour la caractérisation. Le microscope électronique à balayage (SEM) et la microscopie électronique à transmission à haute résolution (HRTEM) ont été utilisés pourcaractériser le produit. Les feuilles de graphène avec une taille latérale supérieure à 20 µm sont clairement visibles sur les figures 1 (a) et 1 (b). Le diagramme de diffraction électronique en zone sélectionnée (SEAD) de la figure 1 (c) montre la symétrie typique à six facteurs attendue pourgraphite / graphène. L’intensité du motif suggère également qu’il s’agit d’un graphène monocouche, du fait que le rapport d’intensité I {1100} / I {2110} > 1 est une caractéristique unique du graphène monocouche [18]. L'image de bord deLe graphène sur la figure 1 (d) indique un espacement inter graphène de 0,34 nm.

Fig. 1. (a) Images SEM de feuilles de graphène. (b) images HRTEM de feuilles de graphène.

(c) Le motif SEAD montre la symétrie de rotation à six fois (d) Image HRTEM du graphène

bord où les franges sont observées et l'espacement interlaminaire est de 0,34 nm.

  3. Résultats et discussion

  Les feuilles de graphène ont été directement enduites par centrifugation sur un réflecteur en verre BK7 plat recouvert de couches diélectriques en SiO2 / TiO2, qui présentaient un facteur de réflexion de ~ 95% avec une large bande, comme indiqué sur la figure 2 (a). La transmission du graphène SAM estmesurée à différents endroits. Les courbes des valeurs maximales et minimales sont données à la Fig. 2 (a), respectivement. La transmission du graphène SAM peut être décrite comme

T=T (1-une)n

  oùTo, une,et n sont la transmission initiale du substrat, l'absorption du graphène monocouche et le nombre de couches de graphène revêtues, respectivement. La transmission mesurée est comprise entre ~ 95,2% et 96,1% à 1 063nm. On peut donc en conclure que les couches du graphène enrobé vont de 2 à 10.

  La disposition schématique du laser Q-switch est illustrée à la figure 2 (b). Un résonateur à deux miroirs de 17 mm de long a été utilisé pour évaluer les performances du SAM en graphène. Le milieu de gain était un Nd: GdVO4 coupé 3 × 3 × 5 mm3 avec le Nd3 +niveau de dopage de 0,5% at. Pour éliminer la chaleur stockée, nous avons enveloppé le cristal de feuille d’indium et l’avons monté dans un dissipateur de chaleur en cuivre à une température maintenue à 21 ° C par refroidissement par eau. Le cristal a été pompé aux extrémités par un laser à couplage de fibresbarrette de diodes émettant à 808 nm avec un diamètre de 400 µm et une ouverture numérique de 0,22. Le coupleur d'entrée était un miroir concave avec un rayon de courbure de 200 mm. Il a été traité antireflet à 808 nm et hautement réfléchissant à 1063.nm.

Fig. 2. (a) Spectres de transmissivité du substrat BK7 et du graphène SAM. (b) Configuration expérimentale du laser Q-switch.

(c) Puissance de sortie moyenne par rapport à la puissance de pompe incidente pour le fonctionnement à onde continue et la commutation Q-S (Q-S).

 (d) Largeur d'impulsion et taux de répétition en fonction de la puissance de pompe incidente pour le fonctionnement en commutation Q.

  Initialement, nous avons étudié les performances du laser Nd: GdVO4 à onde continue (CW) avec un réflecteur BK7 (identique au substrat du SAM de graphène) en tant que coupleur de sortie. Le fonctionnement du laser a été réalisé à la puissance de pompe seuil de0,18 W. La puissance de sortie est tracée sur la figure 2 (c) en fonction de la puissance de la pompe incidente (Pin). Une puissance de sortie de 2,5 W a été obtenue avec une puissance de pompe incidente de 6,5 W, ce qui a donné un rendement optique à optique de 38% et une penteefficacité de 40%. Aucune auto-commutation Q n'a été observée pendant l'expérience. L'émission laser centrée à 1063 nm avec une largeur totale à mi-hauteur (FWHM) d'environ 0,8 nm. Ces résultats ont révélé les bonnes propriétés laser de notre Nd: GdVO4.

  Lorsque le graphène SAM était substitué au réflecteur BK7, comme indiqué sur la figure 2 (b), lel'oscillation laser pulsée a été obtenue dès que la puissance de pompe incidente a dépassé le seuil de 0,22 W. La relation entre la puissance de sortie moyenne et la puissance de pompe incidente est représentée sur la figure 2 (c). On peut voir la moyennela puissance de sortie augmente linéairement avec la puissance de la pompe incidente. Aucune saturation de pompe n'a été observée même si la puissance de la pompe incidente augmentait à 6,5 W. Cette puissance de la pompe incidente permettait d'obtenir une puissance de sortie moyenne de 2,3 W, légèrementinférieur de 8% à celui des ondes continues. Les rendements optique-optique et de pente correspondants étaient respectivement de 35% et 37%. Une telle bonne performance signifie que la perte intrinsèque du graphène est à unniveau très bas. La largeur d'impulsion (τ) et le taux de répétition (f) en fonction de la puissance de la pompe incidente ont été enregistrés par un oscilloscope numérique et présentés à la figure 2 (d). La figure montre une chute rapide de 1435 ns à un minimum de 105 nsen largeur d'impulsion avec l'augmentation de la puissance de pompage du seuil à 6,5 W, tandis qu'une augmentation du taux de répétition de 305 à 704 kHz a été observée. Le taux de répétition élevé peut être dû au temps de relaxation ultra-rapide du graphène (0.4 ~ 1.7ps [7]) et la section efficace d'émission de Nd: GdVO4 relativement grande. [19]. Selon la puissance de sortie moyenne et le taux de répétition des impulsions, l’énergie maximale d’une impulsion unique de 3,2 µJ a été réalisée avec la puissance de pompe incidente.de 5,3 W. Cependant, il convient de souligner la largeur d'impulsion et le taux de répétition de la Fig. 2 (d) sous la puissance de la pompe incidente inférieure à 2,9 W sont la valeur moyenne approximative, car dans cette région de la pompe,loin d'être stable (les trains d'impulsions sous une puissance de pompage de 0,9 W sont présentés à la Fig. 3 (a) à titre d'exemple). Ceci est raisonnable, étant donné que le graphène ne peut pas être complètement saturé avec un faible pouvoir intracavité. La fluctuation de lales mesures étaient à environ 20% de la valeur moyenne. La commutation Q a basculé vers un régime stable sous un niveau de puissance incidente supérieur à 2,9 W (comme dans la Fig. 3 (b) enregistré avec une puissance de pompe de 3,2 W), ce qui correspond à unintensité intracavité de ~ 0,926 MWcm-2 sur les feuilles de graphène, ce qui était proche de l'intensité de saturation de 0,87 MWcm-2 rapporté dans la réf. [8,12]. Les trains d’impulsions temporels et le profil d’impulsions simples avec un taux de répétition de 704 kHz etune durée d'impulsion de 105 ns a été obtenue avec une puissance de sortie de 2,3 W, comme illustré à la figure 3 (c) et à la figure 3 (d). La qualité du faisceau a été jugée proche de la limite de diffraction au cours de l'expérience. Avec un analyseur de qualité de faisceau commercial, leradial et tangentiel M2 ont été mesurés à 1,16 et1,18 en dessous de la puissance de sortie maximale de 2,3 W. La longueur d'onde d'émission du laser Q-switch est toujours centrée à 1063 nm, mais le FHWM était de 1,0 nm, ce qui était légèrement plus large que 0,8 nm du précédent laser à onde continue. Cela peut êtreattribué à deux raisons. L'une est la transition spontanée de la grande population d'inversion accumulée vers les sous-niveaux inférieurs du niveau excité. Lorsque le graphène est saturé, le passage des sous-niveaux inférieurs au niveau du solémettrait des photons à grande longueur d'onde. L'autre est la très grande dispersion normale de graphène [8].

Fig. 3. Train d'impulsions Q-switch sous une puissance de pompe incidente de 0,9 W (a),

sous la puissance de pompe incidente de 3,2 W (b) et sous la puissance de pompe incidente de 6,5 W (c).

(d) Profil d'impulsions commuté Q-105 ns sous une puissance de pompe incidente de 6,5 W.

  Pour le laser Q-switch avec une SAM de graphène, la profondeur de modulation liée au nombre de couches de graphène joue un rôle important dans la durée de l'impulsion. Une profondeur de modulation élevée peut raccourcir la durée de l'impulsion. De plus, faible rendementla transmittivité est généralement bénéfique pour le stockage d'énergie et le seuil bas du laser. Mais une transmittivité de sortie élevée est favorable au laser haute puissance du point de vue de la réduction de la fluence intracavité afin d’éviter les dommages optiquesrésister à plusieurs impulsions. Ainsi, la conception future du SAM de graphène pour la génération d’impulsions Q-commutées à haute énergie devrait être axée sur l’optimisation du nombre de couches de graphène et de la transmittivité du SAM.

4. Conclusion

  Dans cet article, les performances efficaces du SAM de graphène sur les lasers à semi-conducteurs Q-switch ont été démontrées. On obtient 2,3 W de puissance de sortie moyenne et 3,2 µJ d'énergie d'impulsion. Nos résultats montrent que le graphène peut êtreappliqué pour générer des impulsions stables à haute énergie à un taux de répétition dans la plage des dizaines à des centaines de kHz.