[논문 리뷰] Yb- and Er-doped fiber laser Q-switched with an optically uniform, broadband WS2 saturable absorber

M. Zhang, Guohua Hu외 5명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 12.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 44인용 수 31

한 줄 요약

이 논문은 용액 처리된, 광학적으로 균일한 소수층 WS₂ 포화 흡수체(WS₂-SA)를 사용하여 1030 nm(Yb 도핑) 및 1558 nm(Er 도핑)에서 자가 시작형 Q-스위치 섬유 레이저를 구현한다. 고비율의 WS₂ 나노플레이크에서 유래한 표 bord 상태에 기인한 넓은 대역의 임계 하향 흡수 특성 덕분에 마이크로초 펄스를 킬로헤르츠 반복율로 생성하고 최대 179.6 nJ의 펄스 에너지를 달성한다.

ABSTRACT

We demonstrate a ytterbium (Yb) and an erbium (Er)-doped fiber laser Q-switched by a solution processed, optically uniform, few-layer tungsten disulfide saturable absorber (WS2-SA). Nonlinear optical absorption of the WS2-SA in the sub-bandgap region, attributed to the edge-induced states, is characterized by 3.1% and 4.9% modulation depths with 1.38 and 3.83 MW/cm2 saturation intensities at 1030 and 1558 nm, respectively. By integrating the optically uniform WS2-SA in the Yb- and Er-doped laser cavities, we obtain self-starting Q-switched pulses with microsecond duration and kilohertz repetition rates at 1030 and 1558 nm. Our work demonstrates broadband sub-bandgap saturable absorption of a single, solution processed WS2-SA, providing new potential efficacy for WS2 in ultrafast photonic applications.

연구 동기 및 목표

• 소수층 텅스텐 디설파이드(WS₂)를 이용한 초고속 섬유 레이저용 넓은 대역, 용액 처리가 가능한 포화 흡수체(SA)를 개발한다.
• 근적외선 파장에서 기초 Bandgap 이하의 상태에서 WS₂의 하향 흡수 특성의 물리적 기원을 규명한다.
• WS₂-SA를 사용하여 Yb 및 Er 도핑 섬유 레이저에서 자가 시작형 Q-스위치 동작을 구현한다.
• 2차원 전이 금속 디칼코겐화합물(TMDs)에서 넓은 대역의 포화 흡수 특성을 가능하게 하는 표 bord 상태의 역할을 규명한다.

제안 방법

• 대량 WS₂의 초음파 보조 액체 상 분리(UALPE)를 통해 자유체적이고 광학적으로 균일한 소수층 WS₂-PVA 포화 흡수체를 제작하였다.
• 1030 nm 및 1558 nm에서 Z-scan 측정을 통해 비선형 광학적 흡수 특성을 분석하였으며, 각각 3.1% 및 4.9%의 조절 깊이와 1.38 MW/cm² 및 3.83 MW/cm²의 포화 강도를 확보하였다.
• Yb 도핑 및 Er 도핑 섬유 레이저의 캐비티에 WS₂-SA를 통합하여 수동적 Q-스위칭을 실현하였다.
• 편광 제어기와 가변 펌프 파워를 사용하여 외부 자극 없이도 자가 시작형 Q-스위칭을 달성하였다.
• 원자력 현미경(AFM) 측정을 통해 WS₂ 나노플레이크의 높은 표면 대비 가장 비율(~1:6)을 추정하였으며, 이는 표 bord 상태 가설을 지지한다.
• 수정체가 아닌 폴리비닐 알코올(PVA) 필름을 대조 실험으로 사용하여 Q-스위칭이 폴리머 매트릭스가 아닌 WS₂ 성분에서 기인함을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기초 Bandgap 이하의 근적외선 파장에서 소수층 WS₂의 넓은 대역 하향 흡수 특성의 물리적 기원은 무엇인가?
• RQ2 용액 처리가 가능한 광학적으로 균일한 WS₂-SA는 Yb 및 Er 도핑 섬유 레이저에서 자가 시작형 Q-스위칭을 가능하게 하는가?
• RQ3 WS₂ 나노플레이크의 표면 대비 가장 비율은 하향 흡수 영역에서의 포화 흡수 거동에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 WS₂의 포화 흡수 특성은 표 bord 상태, 결함 상태, 또는 엑시톤 효과에 기인하는가?

주요 결과

• WS₂-SA는 1030 nm에서 3.1%의 조절 깊이와 1.38 MW/cm²의 포화 강도를, 1558 nm에서는 4.9%의 조절 깊이와 3.83 MW/cm²의 포화 강도를 나타내었다.
• 1030 nm에서 약 10 kHz 반복율과 약 1.2 μs 펄스 너비를 가진 자가 시작형 Q-스위치 펄스를 구현하였다.
• 1558 nm에서는 약 10 kHz 반복율과 약 1.0 μs 펄스 너비를 가진 Q-스위치 펄스를 생성하였다.
• 최고의 펌프 파워에서 최대 출력은 16.4 mW에 도달하였으며, 이는 펄스 에너지 179.6 nJ에 해당하였다.
• 순수한 PVA 필름을 사용한 대조 실험을 통해 Q-스위칭 현상이 폴리머 매트릭스가 아닌 WS₂ 성분에서 기인한다는 것을 확인하였다.
• UALPE를 통해 분리된 WS₂ 플레이크의 높은 표면 대비 가장 비율(~1:6)은 표 bord 상태에 기인한 하향 흡수 특성이 넓은 대역의 포화 흡수 특성을 가능하게 한다는 가설을 지지한다.