[論文レビュー] Yb- and Er-doped fiber laser Q-switched with an optically uniform, broadband WS2 saturable absorber

M. Zhang, Guohua Hu+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2015

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 44被引用数 31

ひとこと要約

本論文は、溶液処理された、光学的に均一な数層WS₂飽和吸収体（WS₂-SA）を用いて、1030 nm（Ybドープ）および1558 nm（Erドープ）の自己始動型Qスイッチング光ファイバーレーザーを実現した。広帯域の準バンドギャップ飽和吸収は、高アスペクト比のWS₂ナノフラクスに由来するエッジに起因する状態に起因し、キロヘルツ帯域の繰り返しレートと最大179.6 nJのパルスエネルギーを実現するマイクロ秒パルスを可能にした。

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.

研究の動機と目的

• 数層タングステンジチリド（WS₂）を用いた超高速光ファイバー・レーザー用の広帯域で溶液処理可能な飽和吸収体（SA）の開発。
• 近赤外波長域でその基本バンドギャップ未満のWS₂における準バンドギャップ飽和吸収の物理的起源の解明。
• WS₂-SAを用いてYbおよびErドープ光ファイバー・レーザーにおける自己始動型Qスイッチング動作の実証。
• 2次元遷移金属ジカルコゲナイド（TMD）における広帯域飽和吸収を可能にするエッジ状態の役割の確立。

提案手法

• バルクWS₂を超音波支援液体相剥離（UALPE）法により処理し、自由に支持された光学的に均一な数層WS₂-PVA飽和吸収体を調製した。
• 1030 nmおよび1558 nmでのZスキャン測定により非線形光学的吸収を評価し、それぞれ3.1%および4.9%のモード深度、1.38 MW/cm²および3.83 MW/cm²の飽和強度を確認した。
• YbドープおよびErドープ光ファイバー・レーザーのレーザー・コアにWS₂-SAを統合し、受動的Qスイッチングを実現した。
• 偏光制御器と可変ポンプ出力を用いて、外部トリガーなしで自己始動型Qスイッチングを達成した。
• 原子間力顕微鏡（AFM）を用いて、WS₂ナノフラクスの高いエッジ対表面積比（約1:6）を推定し、エッジ状態仮説を支持した。
• 純粋なPVAフィルムを用いたコントロール実験により、Qスイッチングがポリマー行列ではなくWS₂成分に起因することを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 数層WS₂における近赤外波長域の準バンドギャップ飽和吸収の物理的起源は何か？（バンドギャップ未満の波長域で）
• RQ2 溶液処理可能で光学的に均一なWS₂-SAは、YbおよびErドープ光ファイバー・レーザーの両方で自己始動型Qスイッチングを可能にするか？
• RQ3 WS₂ナノフラクスのエッジ対表面積比は、準バンドギャップ領域における飽和吸収挙動にどのように影響するか？
• RQ4 WS₂における飽和吸収は、エッジに起因する状態、欠际状態、または励起子効果に起因するか？

主な発見

• WS₂-SAは1030 nmで3.1%のモード深度および1.38 MW/cm²の飽和強度、1558 nmで4.9%のモード深度および3.83 MW/cm²の飽和強度を示した。
• 1030 nmで自己始動型Qスイッチングパルスを達成し、繰り返し周波数は約10 kHz、パルス幅は約1.2 μsであった。
• 1558 nmでも、繰り返し周波数が約10 kHz、パルス幅が約1.0 μsのQスイッチングパルスを発生させた。
• 最大出力は16.4 mWに達し、最高ポンプ出力時におけるパルスエネルギーは179.6 nJに相当した。
• 純粋なPVAフィルムを用いたコントロール実験により、QスイッチングがWS₂成分に起因することが確認された。
• UALPE法で剥離されたWS₂フラクスの高いエッジ対表面積比（約1:6）は、エッジに起因する準バンドギャップ状態が広帯域飽和吸収の主な要因であるという仮説を支持している。