نبضات طاقة ليزر كبيرة ذات معدل تكرار مرتفع بواسطة ليزر الحالة الصلبة بالحوامل الجرافيني Q

نبذة مختصرة: لقد أثبتنا أن الجرافين يمكن استخدامه كممتص فعّال قابل للتشبع في أشعة الليزر ذات الحالة الصلبة بتبديل Q. صممت مرآة امتصاص الجرافين المشبعة بأوراق جرافين كبيرة وعالية الجودة محرومة منتقشير المرحلة السائلة. باستخدام هذه المرآة ، يتم الحصول على نبضات بقدرة 105 نانومتر وطاقة خرج متوسطة بقدرة 2.3 واط من ليزر Nd: GdVO4 السلبي. الحد الأقصى للطاقة النبضية هو 3.2 μJ. كفاءة المنحدر تصل إلى 37٪تقريبًا إلى 40٪ من ليزر الموجة المستمرة ، مما يشير إلى خسارة منخفضة في الجرافين.

  1 المقدمة

  يسمح التبديل Q ، المعروف أيضًا بتكوين النبض العملاق ، بإنتاج نبضات ضوئية ذات قدرة ذروة عالية جدًا ، أعلى بكثير من تلك الناتجة عن نفس الليزر إذا كانت تعمل في وضع موجة مستمرة. هذه التقنيةيجد تطبيقاته الصناعية والعلوم التي تتطلب طاقة نبضة عالية ، مثل الطب والكيمياء الجيولوجية ومعالجة المواد. في السابق ، كانت أشعة الليزر Q ذات المحول السلبي مع مرايا امتصاص أشباه الموصلات (SESAMs) في Q-تم الإبلاغ عن عناصر التبديل بنشاط [1-4]. ومع ذلك ، تتطلب SESAMs هذه تصنيع وتعبئة معقدة تحد من استخدامها على نطاق واسع [5]. لذلك من الضروري البحث عن مواد امتصاص مشعة جديدة بتكلفة منخفضة ، واسعةالفرقة الامتصاصية ، وانخفاض الخسارة الجوهرية.

  يكشف التقدم الأخير أن الجرافين يمكن استخدامه كعنصر تشكيل في ليزر نابض. يتمتع الجرافين بمزايا واضحة مقارنة بامتصاص أشباه الموصلات التقليدية القابلة للتشبع في الفوتونات الفائقة السرعة مثل ديناميكيات ناقلات فائقة السرعة[6،7] ، امتصاص بصري كبير ، وتعديل العمق [8،9]. عمق التشكيل هو أعلى من 66.5 ٪ لصفائح الجرافين ثلاث طبقات ، وتقريبا خطي مع زيادة الطبقات [8]. عمق تعديل كبير هومواتية للنبضات القصيرة [10]. و عمق التعديل القابل للتحكم يسمح لأحد بضبط مدة النبض. أثبت العمل السابق أن الجرافين هو ممتص ممتاز قابل للتشبع في أشعة الليزر الليفية المغلقة والليزرات الصلبة الحالة[8،11-15]. في الآونة الأخيرة ، كما تم الإبلاغ عن الجرافين Q- التبديل. حصل YU et al على طاقة نبضية أحادية 159.2-nJ ومدة نبض 161-n من Nd: YAG ليزر Q-switched بواسطة الجرافين نمت على كربيد السيليكون [16]. Popa et al.عرض أداء ليزر الليف الجرافيني Q-switched مع طاقة نبضية واحدة من 40 نيوجيرسي عند 1.5 ميكرومتر [17]. هنا ، نقدم تقريرًا عن تطبيق مرآة امتصاص جرافين قابلة للتثبيت (SAM) في الصمام الثنائي الذي يتم ضخه بشكل سلبيتحولت Nd: ليزر GdVO4. يتم الحصول على طاقة النبضة 3.2-μJ ومدة النبضة 105 ns مع تشغيل Q-switching مستقر.

  2. الإعداد وتوصيف الجرافين

  من أجل الحصول على صفائح الجرافين بحجم عشرات المايكرونات ، قمنا بإجراء معالجة مسبقة مثل الجرافيت المقشر (WEG) مع الأكسدة قبل التقشير. كان الجرافيت المقشر يؤكسد في خليط من حمض الكبريتيك المركز ،بروكسيد البوتاسيوم ، وأكسيد الفوسفور (P2O5) عند 90 درجة مئوية تحت التحريك. عند الانتهاء من 4 ساعات ، تم صب الخليط على دورق كبير يحتوي على مياه غير مؤينة بشكل مفرط ، متبوعًا بالترشيح والغسيل حتى يصبح الرقم الهيدروجينيكان المرشح قريب من محايد. تم تجفيف الغرافيت الذي تم الحصول عليه عند 80 درجة مئوية لمدة 24 ساعة. كان ultrasonicated المجففة الجرافيت في 1-ميثيل 2-بيروليدينون (NMP) في قارورة زجاجية مختومة لمدة 2 ساعة. تم ترك التشتت الناتجلمدة 3 أيام لترسيب أي جزيئات غير قابلة للذوبان. تم جمع الحل الطافي للتوصيف. تم استخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) و المجهر الإلكتروني النافذ عالي الدقة (HRTEM)تميز المنتج. يمكن ملاحظة صفائح الجرافين ذات الحجم الجانبي فوق 20 ميكرومتر بوضوح في الشكل 1 (أ) و 1 (ب). يبين مخطط حيود الإلكترون (SEAD) في المنطقة المحددة في الشكل 1 (c) التماثل النموذجي ذي الستة أضعاف المتوقعالجرافيت / الجرافين. تشير شدة النمط أيضًا إلى أن المنطقة عبارة عن جرافين أحادي الطبقة نظرًا لأن نسبة الكثافة I {1100} / I {2110} & gt؛ 1 هي ميزة فريدة للجرافين أحادي الطبقة [18]. صورة حافة علىيشير الجرافين في الشكل 1 (د) إلى تباعد بين الجرافين من 0.34 نانومتر.

الشكل 1. (أ) صور SEM من أوراق الجرافين. (ب) صور HRTEM لصفائح الجرافين.

(ج) يوضح نموذج SEAD التماثل الدوار ستة أضعاف (د) صورة HRTEM من الجرافين

حافة حيث تلاحظ هامش وتباعد interlaminar هو 0.34 نانومتر.

  3. النتائج والمناقشة

  كانت صفائح الجرافين مغلفة بشكل مباشر على عاكس زجاجي BK7 للطائرة المغلفة بطبقات SiO2 / TiO2 العازلة ، والتي كان لها انعكاسية بنسبة 95٪ مع نطاق عريض كما في الشكل 2 (أ). انتقال الجرافين SAM هوتقاس في مواقع مختلفة. ويرد في الشكل 2 (أ) منحنيات القيم القصوى والدنيا ، على التوالي. يمكن وصف انتقال الجرافين SAM باسم

تي=تي (1-ا)ن

  أينتيس, ا,و n هي النقل الأولي للركيزة ، وامتصاص الجرافين أحادي الطبقة ، وعدد طبقات الجرافين المغلفة ، على التوالي. تتراوح سرعة النقل بين 95.2٪ و 96.1٪ عند 1063نانومتر. وبالتالي يمكن استنتاج أن طبقات الجرافين المغلفة تتراوح من 2 إلى 10.

  يوضح الشكل 2 (ب) الترتيب التخطيطي للليزر ذي التبديل Q. تم استخدام مرنان ذو مرآة عيار 17 ملم لتقييم أداء الغرافين SAM. كان وسيط المكسب 3 × 3 × 5 مم 3 قطع Nd: GdVO4 مع Nd3 +مستوى المنشطات من 0.5 في. ٪. ولإزالة الحرارة المخزنة ، قمنا بتغليف البلورة برقائق الإنديوم وقمنا بتثبيتها في حوض حراري نحاسي مع درجة الحرارة عند 21 درجة مئوية عن طريق تبريد المياه. تم ضخ البلورة بواسطة ليزر متصل بالليفمجموعة ديود تنبعث في 808 نانومتر مع 400 ميكرومتر في قطر و 0.22 في الفتحة العددية. كانت قارنات الإدخال عبارة عن مرآة مقعرة مع نصف قطر انحناء 200 مم. كان مضادًا للانعكاس مغلفًا عند 808 نانومتر وعالي التأكسد المغلف في 1063نانومتر.

الشكل 2. (أ) أطياف Transmissivity من الركيزة BK7 والجرافين SAM. (ب) الإعداد التجريبي للليزر Q-switched.

(ج) متوسط ​​قدرة الخرج مقابل طاقة المضخة الطارئة من أجل التشغيل المستمر للموجة والمحول Q (Q-S).

 (د) عرض النبض ومعدل التكرار مقابل قدرة المضخة في حالة التشغيل Q-switching.

  في البداية ، قمنا بفحص أداء ليزر الموجة المستمرة (CW) Nd: GdVO4 مع عاكس BK7 (نفس الطبقة السفلية من الجرافين SAM) كمقرن مخرجات. تم تنفيذ عملية الليزر في قوة المضخة العتبة0.18 W. يتم رسم طاقة الخرج في الشكل 2 (c) كدالة في قدرة المضخة العارضة (Pin). تم الحصول على طاقة خرج 2.5-W تحت طاقة المضخة العارضة 6.5 واط ، مما أدى إلى كفاءة بصرية إلى بصرية بنسبة 38٪ ومنحدركفاءة 40 ٪. لم يلاحظ أي تبديل Q الذاتي خلال التجربة. تركز انبعاث الليزر عند 1063 نانومتر مع عرض كامل عند نصف أقصى (FWHM) من ~ 0.8 نانومتر. كشفت هذه النتائج عن خصائص الليزر الجيدة من Nd: GdVO4.

  عندما تم استبدال الجرافين SAM بعكس BK7 كما هو موضح في الشكل 2 (ب) ، فإنتم تحقيق تذبذب ليزر نابض بمجرد أن تجاوزت قدرة المضخة الحادثة عتبة 0.22 وات. يتم رسم العلاقة بين متوسط ​​قدرة الخرج وقوة المضخة في الشكل 2 (ج). يمكن أن ينظر إليه في المتوسطتزيد طاقة الخرج خطيًا مع طاقة المضخة العارضة. لم يلاحظ أي تشبع للمضخة حتى لو زادت طاقة المضخة إلى 6.5 وات. في ظل قوة المضخة هذه ، تم الحصول على متوسط ​​قدرة خرج 2.3 واط ،أقل من ذلك في ظل حالة الموجة المستمرة بنسبة 8 ٪. وكانت كفاءات المناظرة البصرية إلى البصرية والمنحرفة 35 ٪ و 37 ٪ على التوالي. مثل هذا الأداء الجيد يعني أن الخسارة الجوهرية للجرافين تكون عندمستوى منخفض جدا. تم تسجيل عرض النبضة (τ) ومعدل التكرار (f) تبعاً لقدرة المضخة العارضة بواسطة مرسام الذبذبات الرقمية وعرضها في الشكل 2 (d). يوضح الشكل هبوطًا سريعًا من 1435 نانوثانية إلى حد أدنى للبيانات يبلغ 105 نانو ثانيةفي عرض النبضة بزيادة قدرة المضخة من العتبة إلى 6.5 واط ، بينما لوحظت زيادة في معدل التكرار من 305 إلى kHz 704. قد يكون معدل التكرار المرتفع بسبب وقت الاسترخاء الفائق الجرافين (0.4 ~ 1.7ps [7]) والقطاع العرضي للانبعاثات المستحثة الكبيرة نسبيًا من Nd: GdVO4. [19]. وفقًا لمتوسط ​​طاقة الخرج ومعدل تكرار النبضة ، فقد تم تحقيق الحد الأقصى من طاقة النبضة المفردة بمقدار 3.2 μJ تحت طاقة المضخةومع ذلك ، ينبغي الإشارة إلى أن عرض النبضة ومعدل التكرار في الشكل 2 (d) تحت قدرة المضخة العارضة أسفل 2.9 W هما القيمة المتوسطة التقريبية ، لأن عملية Q-switched كانت في منطقة المضخة هذهبعيدًا عن الاستقرار (يتم عرض القطارات النبضية تحت طاقة المضخة البالغة 0.9 واط في الشكل 3 (أ) كمثال). هذا معقول ، مع الأخذ بعين الاعتبار أن الجرافين لا يمكن أن يكون مشبعًا تمامًا تحت طاقة التداخل المنخفض. تقلباتكانت القياسات ضمن ~ 20٪ من متوسط ​​القيمة. تحولت عملية التحويل Q إلى نظام مستقر تحت مستوى طاقة مضخة عارض أعلى من 2.9 W (مثل الشكل 3 (b) مسجل عند قدرة المضخة 3.2 W) ، المقابلة لـكثافة intracavity من ~ 0.926 MWcm-2 على أوراق الجرافين ، والتي كانت قريبة من كثافة التشبع من 0.87 ميجاوات-2 ذكرت في المرجع. [8،12]. القطارات النبضية الزمنية ونبضة نبضة واحدة بمعدل تكرار قدره kHz 704 وتم الحصول على مدة نبضة قدرها 105 نانومتر تحت طاقة خرج 2.3 واط ، كما هو مبين في الشكل 3 (ج) والشكل 3 (د). تم العثور على جودة الحزمة بالقرب من حد الانعراج من خلال التجربة. مع محلل جودة شعاع التجارية ، وتم قياس M2 شعاعي وملامح لتكون 1.16 و1.18 تحت طاقة الخرج القصوى من 2.3 W. استمر تركيز طول موجة انبعاث الليزر Q-switched عند 1063 نانومتر ، لكن FHWM كان 1.0 نانو متر والذي كان أقل بقليل من 0.8 نانومتر من ليزر الموجة المستمر السابق. هذا يمكن أن يكونيعزى إلى سببين. أحدهما هو الانتقال التلقائي لعنصر الانقلاب المتراكم الكبير إلى المستويات الفرعية الدنيا للمستوى المتحمس. عندما يكون الجرافين مشبعًا ، فإن الانتقال من المستويات الفرعية السفلى إلى مستوى الأرضستصدر الفوتونات في الطول الموجي الطويل. الآخر هو التشتت الطبيعي الكبير للغاية للغرافين [8].

الشكل 3. قطار النبض Q-switched تحت طاقة المضخة العارضة 0.9 واط (a) ،

تحت قوة المضخة العارضة 3.2 واط (ب) ، وتحت قوة المضخة العارضة 6.5 واط (ج).

(د) نبضة نبضية بقدرة Q-switch تبلغ 105 ns تحت طاقة المضخة العارضة بمقدار 6.5 W.

  بالنسبة إلى lsing Q-switched مع الجرافين SAM ، يلعب عمق التشكيل المرتبط بعدد طبقات الجرافين دورًا مهمًا في مدة النبض. يمكن أن يؤدي عمق التعديل المرتفع إلى تقصير مدة النبض. بالإضافة إلى ذلك ، انخفاض الناتجتكون النفاذية مفيدة عادة لتخزين الطاقة وانخفاض عتبة الليزر. لكن النفاذية عالية الانتاج تكون مواتية للليزر ذو الطاقة العالية من وجهة نظر الحد من الانسكاب داخل الأجسام لتجنب الضرر البصري ومقاومة النبضات المتعددة. لذا يجب أن يركز التصميم المستقبلي لـ SAM الجرافيني لتوليد نبضات Q-switched عالية الطاقة على تحسين رقم طبقة الجرافين وانبعاث SAM.

4. الخلاصة

في هذه المقالة ، تم عرض الأداء الفعال للجرافين SAM على ليزر الحالة الصلبة Q-switched. 2.3 W من متوسط ​​طاقة الخرج و 3.2 μJ من طاقة النبض يتم الحصول عليها. نتائجنا تظهر أن الجرافين يمكن أن يكونتطبيق لتوليد نبضات مستقرة عالية الطاقة بمعدل تكرار في نطاق يتراوح من عشرات إلى مئات كيلو هرتز.