ReS Heterostruktur2 /GaAs dibuat pada wafer GaAs 110-μm (111) dengan metode deposisi uap kimia. Q-switched pasif Nd:YVO4 laser ditunjukkan dengan menggunakan heterostruktur ReS2 /GaAs sebagai penyerap jenuh (SA). Lebar pulsa terpendek diperoleh 51,3 ns dengan laju pengulangan 452 kHz, sesuai dengan energi pulsa 465 nJ dan daya puncak 9,1 W. Dibandingkan dengan ReS2 laser Q-switched dan laser Q-switched GaAs, heterostruktur ReS2 /GaAs Q-switched laser dapat menghasilkan durasi pulsa yang lebih pendek dan energi pulsa yang lebih tinggi.
Pengantar
Teknologi Q-switching pasif telah diterapkan secara luas dalam industri, ilmu kedokteran, dan penelitian ilmiah karena keunggulannya yang nyata sehubungan dengan struktur sederhana dan efisiensi yang cukup besar [1,2,3,4]. Berbagai bahan telah digunakan sebagai penyerap jenuh, di mana yang paling umum adalah penyerap jenuh semikonduktor [5,6,7]. Dibandingkan dengan SESAM, material dua dimensi (2D) menunjukkan potensi besar karena bandwidth yang lebar, biaya rendah, dan fabrikasi yang mudah. Dalam beberapa tahun terakhir, bahan 2D seperti fosfor hitam, graphene, dan dichalcogenides mental transisi (TMDs), telah diadopsi secara luas sebagai SA dalam laser Q-switching pasif [8,9,10,11,12]. Di antara TMD yang dilaporkan ini, seperti MoS2 , MoSe2 , dan WS2 , salah satu karakteristiknya adalah perubahan celah pita tidak langsung-ke-langsung terjadi saat beralih dari massal ke lapisan tunggal [13, 14].
Tidak seperti TMD yang disebutkan di atas, ReS2 memiliki celah pita langsung, yang nilainya tetap ~ 1.5 eV dalam bentuk massal dan monolayer [15]. Selanjutnya, sifat fotolistrik ReS2 serupa dari massal ke monolayer [16]. Sebagai semikonduktor, ReS2 menunjukkan penyerapan nonlinier yang kuat, sehingga ReS2 sebagai SA telah digunakan secara eksperimental dalam laser padat dalam panjang gelombang 1,5-μm, 2,8-μm, dan 3-m [17,18,19]. Baru-baru ini, ReS2 berdasarkan substrat safir telah dilaporkan sebagai penyerap jenuh dalam laser 1-μm [20]. Namun, ReS2 penyerap jenuh melekat pada substrat safir dengan gaya van der Waals yang lemah, yang mudah dibelah dari substrat [20]. Hingga saat ini, GaAs telah diterapkan secara umum pada laser solid-state yang didoping-Nd untuk Q-switching pada 1 μm [21]. Namun, GaAs juga dapat digabungkan dengan semikonduktor lain menjadi heterostruktur, seperti MoS2 /GaAs, MoSe2 /GaAs, dan PtSe2 /GaAs [22]. Sejauh ini, semikonduktor heterostruktur MoS2 /GaAs SA telah digunakan untuk mendapatkan pulsa yang lebih pendek [23], meyakinkan kita bahwa heterostruktur serupa bisa menarik untuk operasi berdenyut. Teknologi deposisi uap kimia (CVD) dapat secara tepat mengontrol ketebalan deposisi dan menghasilkan permukaan yang cocok dengan kisi. Dibandingkan dengan ReS2 pada substrat safir, semikonduktor ReS2 /GaAs heterostruktur sebagai sumur kuantum dapat membatasi pembawa dan sangat meningkatkan inversi populasi. Kinerja heterostruktur ReS2 /GaAs penyerap jenuh bisa diharapkan.
Dalam makalah ini, semikonduktor heterostruktur ReS2 /GaAs pertama kali dibuat. Sebagai penyerap jenuh, Q-switched pasif Nd:YVO4 laser solid-state ditunjukkan dengan heterostuktur ReS2 /GaAs. Dibandingkan dengan ReS2 penyerap jenuh atau penyerap jenuh semikonduktor GaAs, kinerja laser sangat ditingkatkan dengan heterostuktur ReS2 /GaAs penyerap jenuh. Hasil eksperimen mengungkapkan bahwa ReS2 /GaAs penyerap jenuh bisa sangat menarik untuk operasi Q-switching pasif.
Metode/Eksperimental
Baru-baru ini, ReS2 penyerap jenuh dibuat oleh pengelupasan fase cair (LPE) karena biaya rendah. Namun, ReS2 monolayer dalam percobaan kami disintesis oleh CVD karena kami dapat secara tepat mengontrol ketebalan ReS2 . Di sini, bubuk belerang dan amonium perrhenat (NH4 ReO4 ) digunakan sebagai prekursor untuk pertumbuhan. ReS2 monolayer ditanam pada wafer safir bersih. Selama proses pengendapan, argon digunakan sebagai gas pembawa belerang. Kemudian, kami mentransfer CVD yang ditumbuhkan ReS2 monolayer ke wafer GaAs dengan kedalaman 110μm dengan dimensi 10 × 10 mm
2
untuk membentuk heterostruktur. Prosedur total ditunjukkan pada Gambar. 1.
a , b Prosedur pembuatan ReS2 /GaAs heterostruktur
Untuk memastikan nomor lapisan ReS2 yang telah disiapkan /GaAs heterostruktur, kami menyelidiki pergeseran Raman dari sampel yang disiapkan (Gbr. 2). Ag mode terletak di 134 dan 141 cm
−1
, sedangkan Eg mode yang terletak di 150.7, 160.6, 210.7, dan 233 cm
−1
. Selisih puncak III-I adalah 16,7 cm
−1
, yang dianggap sebagai lapisan tunggal [24].
Spektroskopi Raman dari heterostruktur ReS2 /GaAs
Gambar 3 menunjukkan skema laser Q-switched pasif dengan ReS2 /GaAs heterostruktur penyerap jenuh. C-cut yang didoping 0,1%-Nd Nd:YVO4 digunakan sebagai kristal laser, yang dimensinya 3 × 3 × 10 mm
3
. Laser Q-switched pasif dipompa akhir oleh laser dioda yang digabungkan serat pada 808 nm. Sinar pompa kemudian difokuskan ke dalam kristal dengan modul pemfokusan ulang dengan titik pada media penguatan dengan diameter 400 m. Cermin cekung M1 digunakan sebagai cermin masukan, yang memiliki lapisan antirefleksi (AR) pada 808 nm di dua sisi dan lapisan refleksi tinggi (HR) pada 1064 nm di dalam resonator. Jari-jari kelengkungan M1 adalah 200 mm. Cermin datar M2 berfungsi sebagai coupler keluaran (OC) dengan transmisi pada 1064 nm 10%. Rongga pendek dan linier dengan panjang sekitar 30 mm terbentuk. ReS2 /GaAs (atau GaAs) kemudian dimasukkan ke dalam rongga yang berfungsi sebagai penyerap jenuh dan diletakkan di dekat coupler keluaran.
Skema rongga laser Q-switching
Hasil dan Diskusi
Durasi pulsa dan tingkat pengulangan direkam dengan osiloskop fosfor digital (DPO 7104C) melalui fotodioda InGaAs yang cepat. Seperti yang ditunjukkan pada Gbr. 4 dan Gbr. 5, dengan meningkatkan daya input dari 0,5 menjadi 2,26 W, durasi pulsa dari ReS2 /GaAs laser Q-switched pasif menurun dari 322 menjadi 51,3 ns, sedangkan tingkat pengulangan meningkat dari 139 menjadi 452 kHz. Sebagai perbandingan, kami juga menyiapkan laser Q-switched GaAs. Kita bisa melihat dari Gambar. 4 dan 5 bahwa ReS2 /GaAs heterostruktur berkontribusi untuk memperpendek lebar pulsa dan menurunkan tingkat pengulangan pulsa.
Durasi pulsa laser Q-switched versus daya pompa yang datang
Laju pengulangan laser Q-switched pasif versus daya pompa yang datang
Gambar 6 menunjukkan profil pulsa Q-switching pada daya pompa 2,26 W dengan penyerap jenuh semikonduktor yang berbeda. Pulsa keluaran dengan lebar pulsa 51,3 ns dan energi pulsa 465 nJ dapat dicapai dengan ReS2 /GaAs heterostruktur penyerap jenuh. Sebaliknya, durasi pulsa keluaran dari laser Q-switched GaAs adalah 63,2 ns dengan energi pulsa 435 nJ, yang ditunjukkan pada gambar sisipan. Gambar 6 juga menyiratkan bahwa simetri ReS2 /GaAs Q-switched pulsa relatif jauh lebih baik.
Profil laser Q-switching berdasarkan ReS2 /GaAs atau GaAs pada daya pompa insiden 2,26 W
Energi pulsa dan daya puncak versus daya pompa yang datang ditunjukkan pada Gambar 7. Dengan meningkatnya daya pompa, terjadi peningkatan yang cepat pada daya puncak. Selain itu, daya puncak dan energi pulsa dari ReS2 /GaAs Q-switched laser lebih tinggi daripada laser Q-switched berbasis GaAs pada kondisi yang sama. Dan untuk ReS2 /GaAs Q-switched laser, daya puncak maksimum 9,1 W dan energi pulsa tertinggi 465 nJ dapat dicapai pada daya pompa 2,26 W.
Energi nadi (a ) dan daya puncak (b ) dari laser Q-switching
Kami juga membandingkan hasil eksperimen kami dengan pekerjaan sebelumnya [20] dengan ReS2 penyerap jenuh pada substrat safir. Durasi pulsa terpendek dari ReS2 Laser 1-μm Q-switched adalah 139 ns dengan tingkat pengulangan 644 kHz, sesuai dengan daya puncak 1,3 W. Akibatnya, heterostuktur ReS2 /GaAs saturable absorber jelas dapat meningkatkan kinerja laser, terutama dalam hal durasi pulsa, energi pulsa, dan daya puncak, jika dibandingkan dengan ReS2 Laser Q-switched atau laser Q-switched GaAs.
Kesimpulan
Singkatnya, heterostruktur ReS2 Penyerap jenuh /GaAs pertama kali dibuat. Berdasarkan ReS2 /GaAs heterostruktur penyerap jenuh, Q-switched pasif Nd:YVO4 laser ditunjukkan. Pada daya pompa 2,26 W, durasi pulsa minimum 51,3 ns dengan tingkat pengulangan 452 kHz tercapai, sesuai dengan energi pulsa tertinggi 465 nJ dan daya puncak 9,1 W. Hasil kami mengonfirmasi bahwa heterostuktur ReS2 /GaAs bermanfaat untuk meningkatkan kinerja Q-switching dibandingkan dengan semikonduktor ReS2 atau peredam jenuh GaAs.
