[논문 리뷰] Black phosphorus as a new broadband saturable absorber for infrared passively Q-switched fiber lasers

Tian Jiang, Ke Yin외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 04. 28.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 28인용 수 26

한 줄 요약

이 논문은 적외선 섬유 레이저에서 광역 밀도 흡수체로 흑색 퀘이크(Black Phosphorus, BP)를 사용하여 1550 nm 및 2 μm에서 수동 Q-스위칭 동작을 가능하게 함을 보여준다. 일체형 BP를 측면 연마된 섬유에 통합함으로써 저자들은 가변 가능한 마이크로초 이하 펄스(9.35–31 μs)와 103 nm의 테이닝 범위(1832–1935 nm)를 달성하였으며, 이는 초고속 섬유 레이저에서 BP의 광역 밀도 흡수 성질에 대한 첫 번째 실험적 검증을 의미한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 섬유 레이저에서 밀도 흡수를 위한 새로운 2차원 재료로 흑색 퀘이크를 탐색하기 위해.
• 적외선 섬유 레이저 시스템에서 광역, 가변 가능한 밀도 흡수체의 필요성을 해결하기 위해.
• 어드미늄 도핑된 섬유 레이저와 툣륨/ europium 도핑된 섬유 레이저 양쪽 모두에서 BP 기반 밀도 흡수체의 실현 가능성을 입증하기 위해.
• 다양한 적외선 파장에서 수동 Q-스위칭 펄스를 생성하는 데에 일체형 구조의 BP의 성능을 평가하기 위해.

제안 방법

• 일체형 흑색 퀘이크는 기계적으로 벗겨내어 측면 연마된 단일 모드 섬유의 평탄한 면에 증착되어 밀도 흡수체(SA)를 제작하였다.
• BP-SA는 어드미늄 도핑 섬유 레이저(EDFL)와 툣륨/ europium 도핑 섬유 레이저(THDFL)에 통합되어 Q-스위칭 실험을 수행하였다.
• 펌프 파워를 변화시켜 펄스 특성을 측정함으로써, 양 레이저 시스템에서 펄스 폭과 파장을 조절할 수 있었다.
• 고강도 자극 하에서 BP의 비선형 광학적 반응을 기반으로 밀도 흡수 메커니즘을 분석하였다.
• 광학 스펙트럼 분석기와 전기적 샘플링 옛시로스코프를 사용하여 스펙트럼 및 시간적 측정을 수행하였다.
• THDFL에서 넓은 범위의 파장에서 가변 가능한 레이저 작동을 관찰함으로써 BP의 광역 성질을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 흑색 퀘이크는 적외선 섬유 레이저에서 효과적인 밀도 흡수체로 기능할 수 있는가?
• RQ2 BP 기반 밀도 흡수체를 사용하여 생성된 Q-스위칭 펄스의 대역폭과 가변성은 무엇인가?
• RQ3 광역 적외선 Q-스위칭의 맥락에서 다른 2차원 재료와 비교해 봤을 때 BP의 성능는 어떠한가?
• RQ4 BP 기반 밀도 흡수체는 1550 nm 및 2 μm에서 안정적인 수동 Q-스위칭 동작을 지원할 수 있는가?
• RQ5 다양한 섬유 레이저 구성에서 BP-SA를 사용할 경우 펄스 폭과 파장 조절의 범위는 얼마인가?

주요 결과

• 어드미늄 도핑 섬유 레이저(EDFL)에서 1550 nm에서 전고도 반폭(FWHM) 9.35 μs의 Q-스위칭 펄스가 달성되었다.
• 펌프 파워를 조절함으로써 EDFL에서 펄스 폭이 9.35에서 31 μs까지 조절 가능하였다.
• 탁음/ europium 도핑 섬유 레이저(THDFL)에서는 1832에서 1935 nm까지 103 nm의 광역 조절 범위가 입증되었다.
• BP 기반 밀도 흡수체는 EDFL 및 THDFL 구성 모두에서 안정적인 수동 Q-스위칭 동작을 가능하게 하였다.
• 이 결과는 초고속 섬유 레이저에서 흑색 퀘이크를 광역 밀도 흡수체로 사용한 첫 번째 실험적 검증을 의미한다.
• 본 연구는 흑색 퀘이크가 적외선 밀도 흡수 응용 분야에서 기존 2차원 재료의 유망한 대체재가 될 잠재력을 확인한다.