[논문 리뷰] Mid-infrared ultra-short mode-locked fiber laser utilizing topological insulator Bi2Te3 nano-sheets as the saturable absorber

Ke Yin, Tian Jiang외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 23.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 25인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 비스무트 telluride (Bi2Te3) 나노 시트를 포화 흡수체로 사용하여 2830 nm에서 동작하는 중적외선 초단파 파장 섬유 레이저를 구현한다. 상위적 절연체 나노 시트의 광역 흡수 및 초고속 복구 특성을 활용하여 레이저는 안정적인 연속파 모드 잠금 상태를 달성하며, 6 ps 펄스, 10.4 MHz 반복 주파수, 최대 90 mW 평균 출력을 기록하여 중적외선 초고속 광학 분야에서 중요한 도약을 이룬다.

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.

연구 동기 및 목표

• 2.8 µm를 초월하는 중적외선 초단파 파장 섬유 레이저를 개발하기 위해.
• Bi2Te3와 같은 2차원 상위적 절연체(TI)가 중적외선 영역에서 광역 포화 흡수체로서의 가능성 탐색하기 위해.
• 플루오르화 섬유 레이저에서 피크 펄스 시간이 피크 피크 이하인 안정적인 모드 잠금 작동 달성하기 위해.
• TI 기반 중적외선 레이저 시스템에서 펄스 에너지, 평균 출력, 반복 주파수 성능 지표 평가하기 위해.

제안 방법

• 레이저 캐비티는 증폭 매체로 플루오르화 유리 섬유를 사용하고, 1940 nm에서 펌프되는 Tm:섬유 레이저로 구동된다.
• 상위적 절연체 Bi2Te3 나노 시트는 기계적 분리 방법을 통해 합성되어 캐비티에 통합하기 위해 섬유 커넥터에 도포된다.
• 포화 흡수체는 강도 의존성 흡수에 기반해 캐비티의 손실을 조절함으로써 수동적 모드 잠금을 가능하게 한다.
• 펌프 전력 증가에 따라 레이저는 연속파(CW), Q-스위칭, 연속파 모드 잠금(CW-ML) 모드로 작동한다.
• 펄스 특성은 오토코her럴러와 광스펙트럼 분석기를 사용하여 측정되어 펄스 너비와 중심 파장이 확인된다.
• 펌프 전력 조절과 캐비티 정렬 조절을 통해 안정적인 모드 잠금 작동이 최적화된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Bi2Te3 나노 시트는 중적외선 영역에서 초단파 생성을 위한 효과적인 포화 흡수체로 기능할 수 있는가?
• RQ2 TI 기반 포화 흡수체를 사용한 모드 잠금 플루오르화 섬유 레이저에서 도달 가능한 펄스 파arameter(너비, 반복 주파수, 에너지)는 무엇인가?
• RQ3 펌프 전력 증가에 따라 레이저가 연속파에서 Q-스위칭으로, 그리고 모드 잠금으로 전이되는 과정은 어떻게 이루어지는가?
• RQ4 Bi2Te3 나노 시트의 광역 흡수 및 초고속 복구 특성이 2.8–3 µm 범위에서 안정적인 모드 잠금 작동을 얼마나 잘 가능하게 하는가?
• RQ5 이러한 시스템에서 도달 가능한 최대 평균 출력과 펄스 에너지는 얼마인가?

주요 결과

• 레이저는 10.4 MHz 반복 주파수를 가진 연속파 모드 잠금을 달성한다.
• 측정된 펄스 너비는 약 6 ps로 중적외선 영역에서 초단파 생성을 나타낸다.
• 모드 잠금 펄스 트레인의 중심 파장은 2830 nm로 중적외선 대역에서의 작동을 확인한다.
• 최대 평균 출력은 90 mW에 도달하여 고출력 작동을 입증한다.
• 피크 펄스 에너지는 8.6 nJ로 측정되어 효율적인 에너지 추출을 나타낸다.
• 펌프 전력 증가에 따라 연속파, Q-스위칭, 모드 잠금 모드로의 안정적인 작동 전환이 관찰된다.