[論文レビュー] Black phosphorus as a new broadband saturable absorber for infrared passively Q-switched fiber lasers

Tian Jiang, Ke Yin+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2015

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 28被引用数 26

ひとこと要約

本稿は、赤リン（BP）を赤外線ファイバーレーザー用の広帯域サチュアブル吸収体として実証し、1550 nmおよび2 μmで被動的Qスイッチング動作を実現した。ボトムBPをサイドポリッシュドファイバに組み込むことで、可変なサブミクロン秒パルス（9.35–31 μs）と103 nmの可変帯域幅（1832–1935 nm）を達成した。これは、超高速ファイバーレーザーにおけるBPの広帯域サチュエーション吸収の初回実験的検証を示している。

ABSTRACT

Black phosphorus (BP) with its enticing electric and optical properties is intensely researched in the field of optoelectronics. In this paper, Q-switched pulses at 1550 nm and 2 um wavelengths are obtained by inserting bulk-structured BP based saturable absorber (SA) into an erbium-doped fiber laser (EDFL) and an thulium/holmium-doped fiber laser (THDFL), respectively. The BP-SA was prepared by depositing powered BP material on to the flat side of a side-polished single mode fiber. Q-switched 1550 nm pulses with width tuned from 9.35 to 31 us were obtained for the EDFL. For the THDFL, over 100 nm wavelength range could be achieved from 1832 to 1935 nm by adjusting the pump power. To the best of our knowledge, these results demonstrated the broadband saturable absorption property of BP and for the first time verified that BP as a new two-dimensional material for applications in saturable absorption devices.

研究の動機と目的

• ファイバーレーザーにおけるサチュエーション吸収のための新規2次元材料としての黒リンの検討。
• 赤外線ファイバーレーザーシステムにおける広帯域で可変可能なサチュエーション吸収体のニーズに対応すること。
• ホルミウム/ネHo/ホルミウムドープファイバーレーザーを含め、BPベースのサチュエーション吸収体の実現可能性の実証。
• 複数の赤外波長で被動的Qスイッチングパルスを生成する際のボトム構造BPの性能評価。

提案手法

• ボトムブラックホワイトリンは機械的剥離され、サイドポリッシュド単モードファイバの平らな側面に堆積され、サチュエーション吸収体（SA）が作製された。
• BP-SAは、エルビウムドープファイバーレーザー（EDFL）およびホリウム/ネHoドープファイバーレーザー（THDFL）に統合され、Qスイッチング実験が実施された。
• ポンプパワーを変化させることでパルス特性を測定し、両レーザーシステムにおけるパルス幅および波長の可変性が得られた。
• 高強度励起下でのBPの非線形光学的応答に基づき、サチュエーション吸収メカニズムが分析された。
• スペクトルおよび時間的測定は、光スペクトルアナライザおよび電気的サンプリングオシロスコープを用いて実施された。
• THDFLにおける広帯域での可変レーザー発振の観察により、BPの広帯域性が確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 黒リンは赤外線ファイバーレーザーにおいて効果的なサチュエーション吸収体として機能できるか？
• RQ2 BPベースのサチュエーション吸収体を用いて生成されたQスイッチングパルスの帯域幅および可変性は何か？
• RQ3 広帯域赤外線Qスイッチングの文脈において、BPの性能は他の2次元材料と比較してどうか？
• RQ4 BPベースのサチュエーション吸収体は、1550 nmおよび2 μmの両方で安定した被動的Qスイッチング動作をサポートできるか？
• RQ5 異なるファイバーレーザー構成におけるBP-SAで達成可能なパルス幅および波長可変範囲は何か？

主な発見

• エルビウムドープファイバーレーザー（EDFL）において1550 nmで、全幅半最大（FWHM）9.35 μsのQスイッチングパルスが達成された。
• EDFLにおけるパルス幅はポンプパワーを調整することで9.35から31 μsの範囲で可変となった。
• ホリウム/ネホドープファイバーレーザー（THDFL）では、1832から1935 nmの範囲で103 nmの広帯域可変範囲が実証された。
• BPベースのサチュエーション吸収体は、EDFLおよびTHDFL両構成で安定した被動的Qスイッチング動作を可能にした。
• 本結果は、超高速ファイバーレーザーにおける黒リンを広帯域サチュエーション吸収体としての初回実験的検証を示している。
• 本研究は、赤外線サチュエーション吸収用途における黒リンが、既存の2次元材料の有望な代替材料である可能性を確認した。