[論文レビュー] Atomic layer graphene as saturable absorber for ultrafast pulsed lasers

Qiaoliang Bao, Han Zhang+6 more|ArXiv.org|Oct 30, 2009

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 17被引用数 34

ひとこと要約

本稿では、原子層グラフェンをモードロックファイバーレーザーにおける飽和吸収体として用い、通信帯域で756 fsの超短パルスを生成することを示した。飽和吸収は、ギャップなしグラフェンにおけるパウリ閉じ込めに起因し、調整可能な調制深さ（6.2% ～ 66.5%）と超高速回復時間を有する。低飽和強度と広帯域動作の利点を有する。

ABSTRACT

The optical conductance of monolayer graphene is defined solely by the fine structure constant. The absorbance has been predicted to be independent of frequency. In principle, the interband optical absorption in zero-gap graphene could be saturated readily under strong excitation due to Pauli blocking. Here, we demonstrate the use of atomic layer graphene as saturable absorber in a mode-locked fiber laser for the generation of ultrashort soliton pulses (756 fs) at the telecommunication band. The modulation depth can be tuned in a wide range from 66.5% to 6.2% by varying the thickness of graphene. Our results suggest that ultrathin graphene films are potentially useful as optical elements in fiber lasers. Graphene as a laser mode locker can have many merits such as lower saturation intensity, ultrafast recovery time, tunable modulation depth and wideband tuneability.

研究の動機と目的

• 単層グラフェンが超短パルスレーザーにおける飽和吸収体として実現可能かどうかを検討すること。
• 厚さを変化させることで、グラフェンベースの飽和吸収体の調制深さの可変性を調査すること。
• 原子層グラフェンを用いたモードロックにより、通信帯域で超高速パルスを生成すること。
• 従来の飽和吸収体と比較して、ファイバーレーザーにおけるグラフェンの性能優位性を評価すること。

提案手法

• 機械的剥離法を用いて、融けた石ガラス基板上に原子層グラフェンを作製すること。
• ファイバーレーザー共振器にグラフェン層を統合し、飽和吸収体素子として組み込むこと。
• 強い光励起下でのゼロギャップ半金属におけるパウリ閉じ込めを活用し、飽和吸収を誘発すること。
• 自己相関測定およびスペクトル解析を用いて、パルス幅と調制深さを測定すること。
• グラフェン層の枚数を制御することで、調制深さを調整すること（単層から多層まで）。
• 実用的応用性の妥当性を検証するため、1550 nm通信帯域でレーザーシステムを動作させること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単層グラフェンは、超短ファイバーレーザーにおける効果的な飽和吸収体として機能可能か？
• RQ2 グラフェン飽和吸収体の調制深さは、層厚さにどのように依存するか？
• RQ3 ファイバーレーザーにおけるグラフェンベースのモードロックで達成可能な最短パルス幅は何か？
• RQ4 グラフェンの回復時間は、従来の飽和吸収体と比較してどうか？
• RQ5 グラフェンの飽和吸収特性は、通信帯域全域でどの程度調整可能か？

主な発見

• 原子層グラフェンを飽和吸収体として用いたファイバーレーザーで、756 fsの超短ソリトンパルスが成功裏に生成された。
• グラフェン層の枚数を変化させることで、調制深さが6.2% ～ 66.5%の広範囲にわたって調整可能であった。
• ゼロギャップ半金属における高速キャリアダイナミクスのおかげで、グラフェンは超高速回復時間を示した。
• グラフェンにおける飽和吸収は、高強度励起下でのパウリ閉じ込めに起因し、強い非線形光学的応答を示した。
• 単層グラフェンの光学伝導度は、微細構造定数によって量子化され、1層あたり約2.3%の普遍的吸収率を示した。
• システムは広帯域動作を示し、通信C帯域に適していた。これにより、グラフェンが広帯域超高速レーザー応用に向けた可能性を有することが確認された。