异质结构 ReS2/GaAs 可饱和吸收体被动调 Q Nd:YVO4 激光器

介绍

无源调Q技术以其结构简单、效率高等显着优势，在工业、医学和科学研究中得到了广泛的应用[1,2,3,4]。各种材料已被用作可饱和吸收体，其中最常见的是半导体可饱和吸收体 [5,6,7]。与 SESAM 相比，二维 (2D) 材料由于带宽宽、成本低且易于制造而显示出巨大的潜力。近年来，二维材料，如黑磷、石墨烯和过渡金属二硫属化物（TMD），已被广泛用作被动调Q激光器中的SA[8,9,10,11,12]。在这些已报道的 TMD 中，如 MoS2、MoSe2 和 WS2，一个特征是当从块体到单层时会发生从间接到直接的带隙变化 [13, 14]。

与上述 TMD 不同，ReS2 具有直接带隙，其值在体和单层形式中保持 ~ 1.5 eV [15]。此外，ReS2 的光电特性从块体到单层都相似 [16]。作为半导体，ReS2 表现出很强的非线性吸收，因此 ReS2 作为 SA 已被实验用于 1.5-μm、2.8-μm 和 3-μm 波长的固体激光器 [17,18,19]。最近，基于蓝宝石衬底的 ReS2 已被报道为 1-μm 激光器中的可饱和吸收剂 [20]。然而，ReS2 可饱和吸收体通过弱范德华力粘附在蓝宝石衬底上，很容易从衬底上裂解 [20]。迄今为止，GaAs 已普遍应用于掺 Nd 的固态激光器，用于 1 μm 的 Q 开关 [21]。然而，GaAs 也可以与其他半导体结合成异质结构，例如 MoS2/GaAs、MoSe2/GaAs 和 PtSe2/GaAs [22]。到目前为止，异质结构半导体 MoS2/GaAs SA 已被用于获得更短的脉冲 [23]，使我们相信类似的异质结构可能对脉冲操作具有吸引力。化学气相沉积 (CVD) 技术可以精确控制沉积厚度并生成干净的晶格匹配表面。与蓝宝石衬底上的 ReS2 相比，半导体 ReS2/GaAs 异质结构作为量子阱可以限制载流子并大大改善粒子数反转。异质结构ReS2/GaAs可饱和吸收体的性能值得期待。

本文首先制备了异质结构半导体 ReS2/GaAs。作为可饱和吸收体，使用异质结构 ReS2/GaAs 演示了被动调 Q Nd:YVO4 固态激光器。与 ReS2 可饱和吸收体或 GaAs 半导体可饱和吸收体相比，异质结构 ReS2/GaAs 可饱和吸收体大大提高了激光性能。实验结果表明，ReS2/GaAs 可饱和吸收体对于无源调Q操作具有重要意义。

方法/实验

最近，由于成本低，ReS2 可饱和吸收体是通过液相剥离（LPE）制备的。然而，我们实验中的 ReS2 单层是通过 CVD 合成的，因为我们可以精确控制 ReS2 的厚度。在这里，硫粉和高铼酸铵 (NH4ReO4) 用作生长的前体。 ReS2 单层生长在干净的蓝宝石晶片上。在沉积过程中，使用氩气作为硫的载气。然后，我们将 CVD 生长的 ReS2 单层转移到 110 μm 深的 GaAs 晶片上，尺寸为 10 × 10 mm ² 来组成异质结构。整个过程如图1所示。

一 , b ReS2/GaAs异质结构的制备过程

为了确定制备的 ReS2/GaAs 异质结构的层数，我们研究了制备样品的拉曼位移（图 2）。 A g 模式位于 134 和 141 cm ⁻¹ , 而 E g 模式位于 150.7、160.6、210.7 和 233 cm ⁻¹ . III-I峰相差16.7 cm ^-1 , 被认为是单层的 [24]。

ReS2/GaAs异质结构的拉曼光谱

图 3 显示了带有 ReS2/GaAs 异质结构可饱和吸收器的被动调 Q 激光器的示意图。采用0.1%-Nd掺杂c-cut Nd:YVO4作为激光晶体，其尺寸为3 × 3 × 10 mm ³ .被动调 Q 激光器由 808 nm 的光纤耦合二极管激光器端部泵浦。然后，泵浦光束通过重聚焦模块聚焦到晶体中，在增益介质上有一个直径为 400 微米的光斑。凹面镜 M1 用作输入镜，其两侧具有 808 nm 的抗反射 (AR) 涂层，谐振腔内部具有 1064 nm 的高反射 (HR) 涂层。 M1 的曲率半径为 200 毫米。平面镜 M2 用作输出耦合器 (OC)，在 1064 nm 处的透射率为 10%。形成了长度约为 30 毫米的短而线性的空腔。然后将 ReS2/GaAs（或 GaAs）插入作为可饱和吸收体的腔体中，并放置在输出耦合器附近。

调Q激光腔示意图

结果与讨论

通过快速 InGaAs 光电二极管，使用数字荧光示波器 (DPO 7104C) 记录脉冲持续时间和重复率。如图 4 和图 5 所示，随着输入功率从 0.5 增加到 2.26 W，ReS2/GaAs 被动调Q 激光器的脉冲持续时间从 322 减少到 51.3 ns，而重复率从 139 增加到452 kHz。相比之下，我们还设置了 GaAs Q 开关激光器。我们可以从图中看出。从图4和图5可以看出，ReS2/GaAs异质结构有助于缩短脉冲宽度，降低脉冲重复率。

调Q激光器的脉宽与入射泵浦功率的关系

被动调Q激光器的重复率与入射泵浦功率的关系

图 6 显示了在 2.26 W 泵浦功率下，不同半导体可饱和吸收体的 Q 开关脉冲曲线。使用 ReS2/GaAs 异质结构可饱和吸收器可以实现脉冲宽度为 51.3 ns 和脉冲能量为 465 nJ 的输出脉冲。相比之下，GaAs Q 开关激光器的输出脉冲持续时间为 63.2 ns，脉冲能量为 435 nJ，如插图所示。图 6 还暗示 ReS2/GaAs Q 开关脉冲的对称性相对要好得多。

基于 ReS2/GaAs 或 GaAs 的 Q 开关激光器在 2.26 W 入射泵浦功率下的剖面图

脉冲能量和峰值功率与入射泵浦功率的关系如图 7 所示。随着泵浦功率的增加，峰值功率迅速增加。此外，在相同条件下，ReS2/GaAs调Q激光器的峰值功率和脉冲能量均高于GaAs基调Q激光器。而对于ReS2/GaAs调Q激光器，在2.26 W泵浦功率下可实现9.1 W的最大峰值功率和465nJ的最高脉冲能量。

脉冲能量 (a ) 和峰值功率 (b )的调Q激光器

我们还将我们的实验结果与之前的工作 [20] 与蓝宝石衬底上的 ReS2 可饱和吸收器进行了比较。 ReS2 Q-switched 1-μm 激光器的最短脉冲持续时间为 139 ns，重复率为 644 kHz，对应的峰值功率为 1.3 W。因此，异质结构 ReS2/GaAs 可饱和吸收体可以明显改善激光器与 ReS2 Q 开关激光器或 GaAs Q 开关激光器相比，性能，尤其是在脉冲持续时间、脉冲能量和峰值功率方面。

结论

总之，首先制造了异质结构 ReS2/GaAs 可饱和吸收体。基于 ReS2/GaAs 异质结构可饱和吸收体，展示了被动调 Q Nd:YVO4 激光器。在 2.26 W 的泵浦功率下，实现了 51.3 ns 的最小脉冲持续时间和 452 kHz 的重复频率，对应于 465 nJ 的最高脉冲能量和 9.1 W 的峰值功率。我们的结果证实异质结构 ReS2/与半导体ReS2或GaAs可饱和吸收体相比，GaAs有利于提高调Q性能。

缩写

二维：

二维

AR：

抗反射

CVD：

化学气相沉积

人力资源：

高反射

LPE：

液相剥离

OC：

输出耦合器

SESAM：

半导体可饱和吸收镜

TMD：

过渡金属二硫属化物