ReS₂/GaAs 异质结饱和吸收体实现超快被动 Q 开关 Nd:YVO₄ 激光器

摘要

我们首次报道通过化学气相沉积制备 ReS₂/GaAs 异质结，并将其作为饱和吸收体（SA）应用于被动 Q 开关 Nd:YVO₄ 激光器。该器件在 452 kHz 重复频率下实现 51.3 ns 创纪录最短脉宽，单脉冲能量 465 nJ，峰值功率 9.1 W。与单一材料 SA（ReS₂ 或 GaAs）相比，异质结提供更短脉冲和更高脉冲能量，证实其在高效 Q 开关中的卓越性能。

引言

被动 Q 开关仍是工业、医疗和科研应用中产生高能量、短脉冲激光的基石技术。传统半导体饱和吸收体镜（SESAM）性能优异但成本高、带宽窄。二维（2D）材料如石墨烯、黑磷和过渡金属二硫属化物（TMD）作为有前途替代品涌现，提供宽带操作、低成本和易制备。

TMD 中 ReS₂ 独特之处在于其体块和单层均保持直接带隙（~1.5 eV），且光电响应在不同厚度下极为一致。前人已在 1.5 μm、2.8 μm 和 3 μm 固态激光器中演示 ReS₂ SA，最近也在 1 μm 蓝宝石基 ReS₂ SA 中应用。然而，ReS₂ 与蓝宝石弱范德华附着限制器件鲁棒性。GaAs 常用于 Nd 掺杂激光器，可与其他半导体形成异质结（如 MoS₂/GaAs）增强载流子限制并改善 SA 性能。

本研究通过将 CVD 生长的 ReS₂ 转移至 110 μm 厚 GaAs 晶片上制备 ReS₂/GaAs 异质结，并评估其在 Nd:YVO₄ 激光器中的 SA 性能，与传统 ReS₂ 和 GaAs SA 对比。

方法/实验

在洁净蓝宝石衬底上利用硫和高氯酸铵前驱体通过 CVD 合成 ReS₂ 单层。将所得单层转移至 10×10 mm²、110 μm 厚、沿（111）取向切割的 GaAs 晶片形成异质结（见图 1）。拉曼光谱通过特征 A_g 模式（134 和 141 cm⁻¹）和 E_g 模式（150.7、160.6、210.7、233 cm⁻¹）确认单层厚度，III-I 峰间距 16.7 cm⁻¹。

图 1.（a）CVD 生长工艺示意图；（b）ReS₂ 转移至 GaAs 晶片。

激光腔由 0.1% Nd 掺杂 c-cut Nd:YVO₄ 晶体（3×3×10 mm³）组成，经 808 nm 光纤耦合二极管激光端面泵浦。400 μm 泵浦光斧聚焦入晶体。谐振腔采用凹面输入镜（曲率半径 200 mm，1064 nm 高反射，808 nm 抗反射）和平面输出耦合镜（1064 nm 透射率 10%）。ReS₂/GaAs（或 GaAs）SA 置于约 30 mm 长腔内靠近输出耦合镜处（见图 3）。

图 2. ReS₂/GaAs 异质结拉曼光谱。

图 3. Q 开关激光腔示意图。

结果与讨论

利用快速 InGaAs 光电二极管和数字示波器记录脉冲特性。随泵浦功率从 0.5 增至 2.26 W，脉冲宽度从 322 ns 缩短至 51.3 ns，重复频率从 139 kHz 升至 452 kHz（图 4-5）。异质结 SA 始终优于单独 ReS₂ 和 GaAs SA，产生最短脉冲和最低重复频率。

图 4. 脉冲宽度随入射泵浦功率变化。

图 5. 重复频率随入射泵浦功率变化。

在最高泵浦功率（2.26 W）下，异质结 SA 产生 51.3 ns 脉冲，单脉冲能量 465 nJ，峰值功率 9.1 W（图 6）。相比之下，GaAs SA 在相同条件下给出 63.2 ns 脉冲、435 nJ 能量。异质结还改善了脉冲形状对称性。

图 6. 2.26 W 下 ReS₂/GaAs 和 GaAs SA 脉冲波形。

峰值功率和脉冲能量随泵浦功率变化见图 7。异质结 SA 在相同条件下持续实现高于 GaAs SA 的数值。

图 7.（a）脉冲能量；（b）峰值功率随泵浦功率变化。

与蓝宝石基 ReS₂ SA（1.3 W 泵浦下 139 ns 脉冲、1.3 W 峰值功率）相比，异质结在所有关键指标上表现显著优越。

结论

我们成功制备 ReS₂/GaAs 异质结 SA 并集成至被动 Q 开关 Nd:YVO₄ 激光器。2.26 W 泵浦功率下，激光器实现 51.3 ns 脉冲、452 kHz 重频、465 nJ 脉冲能量和 9.1 W 峰值功率——优于传统 ReS₂ 和 GaAs SA。结果确认 ReS₂/GaAs 异质结在高性能 Q 开关应用中极为有效。

缩略语

2D

二维

AR

抗反射

CVD

化学气相沉积

HR

高反射

LPE

液相剥离

OC

输出耦合镜

SESAM

半导体饱和吸收体镜

TMD

过渡金属二硫属化物