[論文レビュー] Mid-infrared ultra-short mode-locked fiber laser utilizing topological insulator Bi2Te3 nano-sheets as the saturable absorber

Ke Yin, Tian Jiang+4 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2015

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 25被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、ビスマスチルライド（Bi2Te3）ナノシートを飽和吸収体として用いた2830 nmで動作する中赤外超短パルスファイバーレーザーを実証している。トポロジカル絶縁体ナノシートの広帯域吸収および超高速回復特性を活用することで、6 psパルス、10.4 MHz繰り返し周波数、最大90 mWの平均出力で安定した連続波モードロックを実現し、中赤外超高速フォトニクス分野における顕著な前進を示している。

ABSTRACT

The newly-emergent two-dimensional topological insulators (TIs) have shown their unique electronic and optical properties, such as good thermal management, high nonlinear refraction index and ultrafast relaxation time. Their narrow energy band gaps predict their optical absorption ability further into the mid-infrared region and their possibility to be very broadband light modulators ranging from the visible to the mid-infrared region. In this paper, a mid-infrared mode-locked fluoride fiber laser with TI Bi2Te3 nano-sheets as the saturable absorber is presented. Continuous wave lasing, Q-switched and continuous-wave mode-locking (CW-ML) operations of the laser are observed sequentially by increasing the pump power. The observed CW-ML pulse train has a pulse repetition rate of 10.4 MHz, a pulse width of ~6 ps, and a center wavelength of 2830 nm. The maximum achievable pulse energy is 8.6 nJ with average power up to 90 mW. This work forcefully demonstrates the promising applications of two-dimensional TIs for ultra-short laser operation and nonlinear optics in the mid-infrared region.

研究の動機と目的

• 2.8 µmを超える波長帯域で動作する中赤外超短パルスファイバーレーザーの開発を目的とする。
• Bi2Te3のような2次元トポロジカル絶縁体（TIs）が中赤外域で広帯域飽和吸収体としての可能性を有するかを検討すること。
• フラウロライドファイバーレーザーにおいて、ピコ秒未塔のパルス生成を実現する安定なモードロック動作を達成すること。
• TIを用いた中赤外レーザーシステムにおけるパルスエネルギー、平均出力、繰り返し周波数といった性能指標を評価すること。

提案手法

• レーザー共振器は、発光媒質としてフラウロライドガラスファイバを用い、1940 nmのTmファイバーレーザーで励起する。
• トポロジカル絶縁体Bi2Te3ナノシートは、機械的剥離法により合成され、ファイバーコネクタに堆積されて共振器に統合された。
• 飽和吸収体は、強度依存吸収に基づく共振器損失の制御により、被動的モードロックを実現する。
• 励起パワーが増加するに従い、連続波（CW）、Qスイッチ、連続波モードロック（CW-ML）の各モードで動作する。
• パルス特性は自己相関計および光スペクトルアナライザーを用いて測定され、パルス幅および中心波長が特定された。
• 励起パワーと共振器のアライメントを調整することで、安定なモードロック動作が最適化された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Bi2Te3ナノシートは、超短パルス生成に向けた中赤外域で効果的な飽和吸収体として機能可能か？
• RQ2 TIベースの飽和吸収体を用いたモードロックフラウロライドファイバーレーザーにおいて、達成可能なパルスパラメータ（幅、繰り返し周波数、エネルギー）は何か？
• RQ3 励起パワーの増加に伴い、CWからQスイッチ、そしてモードロックへのレーザー動作の遷移はどのように進行するか？
• RQ4 Bi2Te3ナノシートの広帯域吸収および超高速回復特性が、2.8–3 µm範囲で安定なモードロックをどの程度可能にするか？
• RQ5 このようなシステムで達成可能な最大平均出力およびパルスエネルギーは何か？

主な発見

• レーザーは10.4 MHzの繰り返し周波数で連続波モードロックを達成した。
• 測定されたパルス幅は約6 psであり、中赤外域における超短パルス生成を示している。
• モードロックパルス列の中心波長は2830 nmであり、中赤外帯域での動作を確認した。
• 最大平均出力は90 mWに達し、高出力動作を示した。
• ピークパルスエネルギーは8.6 nJに測定され、効率的なエネルギー抽出を示した。
• 励起パワーの増加に伴い、CW、Qスイッチ、モードロックの各モードで安定した動作を示した。