Главная / Библиотека / Пассивная модуляция добротности с использованием насыщающегося поглотителя из черного фосфора

Пассивная модуляция добротности с использованием насыщающегося поглотителя из черного фосфора

Теги АОМ ZBLAN АОПФ
Пассивная модуляция добротности с использованием насыщающегося поглотителя из черного фосфора

Существует возможность замены электрического функционального генератора и акустооптического перестраиваемого фильтра (АОПФ) пассивным переключателем или, так называемым, насыщающимся поглотителем (НП). Такие нелинейные переключающие устройства на основе полупроводниковых материалов (полупроводниковых зеркал) являются устоявшимися коммерческими решениями в ближнем, но не в среднем ИК диапазоне. НП на основе индия могут генерировать импульсы в диапазоне 2,7–3,0 мкм, однако их дальнейшее применение для более длинных волн ограничено краем полосы пропускания индия. Потому большие исследовательские усилия были сосредоточены на поиске альтернативных материалов для НП. Один из вариантов – появляющееся семейство 2D наноматериалов.

Для НП в среднем ИК-диапазоне и генерации импульсов успешно применяются наноматериалы с использованием графена, полуметалла Дирака Cd3As2, дихалькогенидов переходных металлов (например WS2) и черного фосфора (ЧФ). Для нелинейной оптики среднего ИК диапазона особый интерес представляет именно ЧФ, который, в свою очередь, помимо сверхбыстрой динамики релаксации обладает ещё прямой запрещенной зоной, зависящей от толщины, способной изменяться от 0,3 эВ (~ 4,1 мкм) в объемной форме до 2 эВ (0,62 мкм) в виде монослоя. Помимо вышеуказанных оптоэлектронных свойств недавно были разработаны масштабируемые технологии изготовления ЧФ, например с использованием методов обработки растворов, которые обеспечивают большую гибкость для интеграции ЧФ в существующие оптические компоненты. Этот материал может быть заключен в тонкую пленку композитного полимера, зажат между волокнами, нанесен на волокна с боковой полировкой или непосредственно на оптические подложки / зеркала посредством струйной печати. Поэтому впервые было решено рассмотреть ЧФ для модуляции добротности в области 3,0–3,3 мкм, которая однозначно покрывается ионом диспрозия.

Изготовление НП начинается с ультразвукового отшелушивания жидкой фазы (УОЖФ) с кристаллов ЧФ. УОЖФ – это технология обработки раствора, которая позволяет отслаивать однослойные и многослойные хлопья от объемных кристаллов в жидкой среде под действием ультразвуковых волн. Жидкая среда имеет решающее значение, поскольку успешное УОЖФ зависит от оптимального межмолекулярного взаимодействия, минимизируя энтальпию смешения отслоившихся хлопьев с жидкостью. Предыдущие исследования показали, что для этой цели подходит N-метил-2-пирролидон (НМП). Объемные кристаллы ЧФ весом в 10 мг погружают в 10 мл НМП и обрабатывают ультразвуком в течение 12 часов при 15 °C. Чтобы свести к минимуму окисление ЧФ, используется безводный НМП, а трубка для ультразвуковой обработки заполняется азотом. Полученную дисперсию центрифугируют при 1500 g в течение 30 минут, получая супернатант (рисунок 1 а), содержащий отслоившиеся хлопья ЧФ со средней толщиной 8 нм и поперечным размером 100 нм (рисунки 1 b и 1 c).

Для создания чернил расслоенные хлопья ЧФ извлекаются из НМП и добавляются в бинарную систему растворителей из безводного изопропанола / 2-бутанола (90% / 10%) посредством повторного центрифугирования. Краска концентрируется до ~ 5 г/л для более легкого осаждения материала во время струйной печати. Составленные чернила имеют вязкость ~ 2,2 мПа · с, поверхностное натяжение 28 мНм-1 и плотность ~ 0,8 г / см3, что дает обратное число Онезорге ~ 10. Это значение говорит о том, что чернила подходят для струйной печати, что позволяет стабильно генерировать одиночные капли при каждом электрическом импульсе. Низкое поверхностное натяжение чернил также обеспечивает хорошее смачивание широкого спектра субстратов, включая стекло и полимеры. Что еще более важно, состав бинарного растворителя, как показано, уменьшает образование «кофейных колец» (кольцевое осаждение материала, сосредоточенное на краях высушенных капель) за счет эффекта Марангони: взвешенные хлопья ЧФ равномерно распределяются во время сушки, давая непрерывное осаждение материала. Краска поддерживает высококачественное формирование узора ЧФ с минимальными неоднородностями (рисунок 1 d и 1 ​​e). Такая печать необходима для воспроизводимого производства и стабильной работы устройств на основе ЧФ со струйной печатью.

Продемонстрировав возможность равномерной печати чернилами, можно приступить к изготовлению НП. Это делается путем струйной печати чернилами из ЧФ непосредственно на серебряном зеркале. После печати зеркало покрывается слоем парилена-С толщиной 100 нм для защиты ЧФ от деградации.

ПС1

Рисунок 1. (а) Фотография дисперсии черного фосфора в НМП с концентрацией ~ 0,5 г / л. (b) Толщина и (c) гистограммы латерального размера отслоившихся хлопьев ЧФ по данным, полученным с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ). Средние значения толщины чешуек и поперечного размера составили 7,8 нм и 99,8 нм соответственно. (d) напечатанные на струйной печати образцы ЧФ и (e) изображение в оптическом микроскопе, соответствующее области, выделенной на (d): демонстрация осажденного материала, показывающее пространственное распределение хлопьев ЧФ внутри области рисунка.

Также для фокусировки коллимированного пучка до диаметра пятна в 12,5 мкм 1/e2, прилагается 11-миллиметровая асферическая линза, а в качестве выходного ответвителя добавлен светоделитель с 50% пленкой (рисунок 2 а).

ПС2

Рисунок 2. Лазер на черном фосфоре с модуляцией добротности (а) схема резонатора; (б) оптический спектр (вставка: последовательность импульсов 86 кГц и профиль импульса 740 нс); (c) изменение частоты следования и длительности импульсов в зависимости от выходной мощности.

Для мощностей накачки, превышающих пороговое значение 360 мВт, наблюдается автономное лазерное излучение (при отсутствии включенного спектрального фильтра) с центром на 3,04 мкм, состоящее из близко расположенных спектральных пиков (рисунок 2 b). На выходе наблюдается временная самозапускающаяся последовательность импульсов с модуляцией добротности (рисунок 2 (b) вставка).

В начале модуляции добротности генерируются импульсы с частотой 47 кГц, полушириной 1,8 мкс и средней мощностью в 24 мВт. С увеличением мощности накачки длительность импульса уменьшается, а частота повторения увеличивается (рисунок 2 b), что связано с динамикой инверсии и насыщением в усиливающей среде НП, которая ускоряется при увеличении частоты накачки, что обычно наблюдается для лазеров с пассивной модуляцией добротности и непрерывной накачкой. Максимально достигаемая выходная мощность составляет 87 мВт, частота повторения 86 кГц при длительности импульса 740 нс, что соответствует максимальной энергии импульса 1,0 мкДж и пиковой мощности 1,3 Вт. При этой мощности накачки наблюдалась длительная стабильная пульсация, но при дальнейшем её увеличении выход с модуляцией добротности терял свою стабильность и появлялись заметные колебания амплитуды с временной дрожью. В итоге это привело к прекращению пульсации, что, как сообщалось ранее китайскими исследователями с другими наноматериалами при высокой интенсивности падающего излучения, могло было быть связано с повреждением образца ЧФ.

Во время стабильной работы было зафиксировано 35 % дифференциальной эффективности, что является самым высоким показателем для лазера с модуляцией добротности в среднем ИК диапазоне. Такое значение достигается за счет накачки прямо в полосу поглощения диспрозия, что дает значительно меньший квантовый дефект, чем это обычно бывает в волоконных лазерах с Er и Ho с накачкой на 0,98 и 1,15 мкм соответственно. Заменив зеркало, покрытое ЧФ, на чисто серебряное, наблюдался выход только непрерывного излучения, что подтверждает важную роль ЧФ в генерации импульсов.

Импульсы длительностью 270 нс и энергией до 12 мкДж (пиковая мощность 39 Вт) со средней выходной мощностью 30 мВт генерировались с использованием модуля АОПФ. Лазер же на ЧФ давал гораздо более длинные импульсы (740 нс) при более низких энергиях (1 мкДж для средней мощность 87 мВт). Следует отметить, что хотя в данном исследовании таких проблем нет, длина волокна и лазер накачки будут влиять на выходные свойства. Следовательно, для приложений, таких как обработка материалов и накачка нелинейных волокон для генерации суперконтинуума, получается, что более высокие интенсивности, обеспечиваемые активной модуляцией добротности, будут иметь преимущество. Возможность точного определения длины волны с помощью АОПФ также является преимуществом по сравнению с автономным многопиковым спектром лазера с пассивной модуляцией добротности.

Однако геометрия установки с пассивной модуляцией добротности значительно проще и компактнее из-за того, что электроника привода и АОПФ заменяются всего лишь одним зеркалом с покрытием. Это является большим преимуществом для лидаров в среднем ИК диапазоне и иных мобильных устройств. Также существуют многообещающие возможности для разработки полностью волоконных лазеров среднего ИК диапазона с пассивной модуляцией добротности, повышающих надежность системы за счет замены зеркал на волоконные брэгговские решетки / световоды с боковой полировкой, покрытые ЧФ. Еще одна интересная перспектива – разработка полностью волоконных систем с нелинейным вращением поляризации (НВП), основанных на использовании наклонных волоконных решеток в волокне в качестве поляризаторов.

Большое время нарастания АОПФ вносит некоторые ограничения, но, если время нарастания уменьшить с 25 мкс до 1 мкс, прогнозируется увеличение значений на порядок (50 мкДж, пиковая мощность 400 Вт). К счастью, устройства с акустооптическими модуляторами (АОМ) среднего ИК диапазона со схожими свойством уже коммерчески доступны (и были применены к лазерам на Er и Ho ZBLAN). АОМ отличается от АОПФ тем, что он работает с различными условиями фазового синхронизма и использует продольные акустические (с более высокими акустическими скоростями), а не поперечные волны, обеспечивая субмикросекундное время переключения. С другой стороны, АОМ работает в широкополосном режиме без явного эффекта спектральной фильтрации, что исключает возможность настройки, которая является привлекательной особенностью лазера.

Наконец, стоит отметить, что акустооптические устройства смещают частоту света в резонаторе из-за доплеровского сдвига, вызванного взаимодействием с распространяющимися акустическими волнами. При определенных обстоятельствах, даже при постоянной мощности накачки и немодулированном режиме работы, это может нарушить установившуюся инверсию и вызвать устойчивые релаксационные колебания аналогичные выходу с модуляцией добротности. Однако, такие импульсы имеет низкую энергию и активно не стабилизируются, из-за чего акустооптические устройства практически не используются для модуляции добротности.

Время жизни верхнего состояния является важной величиной накопительного потенциала при оценке иона для переключения добротности на высоких энергиях. Для генерации импульсов свыше 3 мкм время жизни диспрозия составляет 650 мкс, что выгодно отличается от значения перехода эрбия на 3,5 мкм с временем в 177 мкс, предполагая повышенный потенциал накопления энергии для генерации импульсов большей мощности. Однако, эти времена жизни значительно короче, чем у переходов в Er (7,9 мс) и Ho (3,5 мс) в окне 2,7–3,0 мкм (обращаем внимание, что все времена жизни указаны для материала ZBLAN). Также существует потенциал для генерации импульсов с модуляцией добротности на 4 мкм за счет возникающих высокоэнергетических переходов Ho и Dy во фторид-индиевом стекле.

Как итог, это одно из первых сообщений о модуляции добротности волоконных лазеров на диспрозие: новом подходе к генерации импульсов на волоконной основе на длинах волн свыше 3 мкм. Активная модуляция добротности была продемонстрирована с использованием АОПФ, достигая мощности импульсов до 12 мкДж с длительностью 270 нс с возможностью настройки длины волны лазера от 2,97 до 3,23 мкм. Динамика модуляции добротности была исследована численно и экспериментально, выявив многообещающие возможности увеличения энергий импульса за счет использования АОМ, а не АОПФ. Также для альтернативного метода модуляции был напечатан НП из ЧФ на струйном принтере, обеспечивающего пассивную модуляцию добротности при более простой настройке резонатора. С его помощью удалось сгенерировать импульсы с энергией 1,0 мкДж и длительностью 740 нс, демонстрируя потенциал нового наноматериала для нелинейной фотоники в средней ИК области спектра. Таким образом, достигнутые результаты расширяют область применения длинноволновой лазерной технологии.

 

© Le Verre Fluoré

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Le Verre Fluoré на территории РФ

Теги АОМ ZBLAN АОПФ
Новые статьи
У Вас особенный запрос?
У Вас особенный запрос?
Весьма часто наши заказчики лучше нас знают, какое оборудование им нужно. В этом случае мы берём на себя общение с производителем, доставку и таможенную очистку, а также все вопросы гарантийного периода. Пожалуйста, заполните эту форму, и мы свяжемся с Вами, чтобы помочь решить любую Вашу задачу. Или позвоните нам по телефону +7(495)199-0-199
Форма заявки
Ваше имя: *
Ваше имя
Ваш e-mail: *
Ваш телефон: *
Ваш телефон
Наши
контакты
г. Москва, ул. Бутлерова, д. 17Б, офис 502

г. Санкт-Петербург, Коломяжский проспект, 33 корпус 2