ultrafast, graphene-based fiber lasers

1

Laser & Fiber Electronics Group

Wroclaw University of Technology

Wybrzeże Wyspiańskiego 27, 50-370 Wrocław

Ultrafast, graphene-based fiber lasers

Jakub Bogusławski

Presentation outline:

1. Introduction and motivation

2. Various types of saturable absorbers

3. Graphene

4. Experimental results

10.06.2014, Warsaw

2 10.06.2014, Warsaw

Motivation

Imaging

• Optical tomography

• Fluorescence microscopy

Material processing

•Precise microdrilling

• Production of nanostructures

• Cutting

• Processig of photovoltaics cells

Medicie

• Eye surgery

• Neurosurgery

• Dentistry

• Dermatology

• Cosmetology

Nanotechnology

• Production of low-dimentional structers

• Selective doping of semiconductors

Research

• Spectroscopy

• THz wave generation

• Nonlinear optics

• Supercontinuum generation

Telecommunication

• Frequency standard reference

•Ultra-short pulses: τ < 1 ps

3

Saturable absorbers

SEmiconductor Saturable Absorber Mirror

Graphene Saturable Absorber, GSA

Nonlinear Polarization Rotation, NPR

Carbon NanoTubes, CNT

4

Graphene as a saturable absorber

• The absorption of single layer: πα = 2,3% (lineary scalabe with a number of layers)

• Wavelength-independent absorption (broadband)

• Nonliniear optical respons (saturable absorption)

I. Baek et al. Appl. Phys. Express 5 (2012) 032701 Q. Bao et al. Adv. Funct. Mater. 19, 3077-3083 (2009)

5

Ultrafast, graphene-based fiber laser

Compact, reliable and simple construction. Characteristics: - τ = 200 fs - frep = 50 MHz - Pout = 2 mW

6

Thank you!

7

Rezonator laserowy

Warunek fali stojącej: λ = nL/2

Odstęp międzymodowy: Δf = c/2L

CZAS M

OC

Tryb pracy ciągłej (CW) Continuous Wave

Suma niekoherentna

8

Laser z synchronizacją modów

CZAS M

OC

Mody zsynchronizowane

φ = φM – φM-1 = const

Tryb pracy impulsowej

Impuls ultrakrótki

Fale w fazie

9

Nasycalne absorbery

Półprzewodniki: SESAM (SEmiconductor Saturable Absorber Mirror)

Grafen (!) (Graphene Saturable Absorber, GSA)

Nieliniowa rotacja polaryzacji (Nonlinear Polarization Rotation, NPR)

Nanorurki węglowe (Carbon NanoTubes, CNT)

10

Grafen jako nasycalny absorber

• Absorpcja pojedynczej warstwy grafenu: πα = 2,3% (rośnie liniowo wraz z ilością warstw)

• Absorpcja nie zależy od długości fali (szerokopasmowy)

• Posiada nieliniową podatność 3. rzędu (wykazuje efekt nasycalnej absorpcji)

I. Baek et al. Appl. Phys. Express 5 (2012) 032701 Q. Bao et al. Adv. Funct. Mater. 19, 3077-3083 (2009)

11

Lasery ultra-szybkie na bazie grafenu (1)

Parametry lasera:

•Długość fali 1565 nm

•Szerokość pasma > 11 nm

•Czas trwania impulsu: 315 fs

•Moc wyjściowa: 3 mW

•Częstotliwość repetycji: 58 MHz

G. Sobon et al., Journal of Lightwave Technology 30, 2770-2775 (2012) G. Sobon et al., Optics Express 20, 20, 19463-19473 (2012)

12

Lasery ultra-szybkie na bazie grafenu (2)

Możliwość osadzania grafenu otrzymanego różnymi metodami:

•Epitaksja CVD (z PMMA)

•Grafen chemiczny (roztwór)

•Eksfoliacja mechaniczna

G. Sobon et al., APL 100, 161109 (2012) G. Sobon et al., Laser Phys. Lett. 9, 581–586 (2012)

13

Lasery światłowodowe < 100 fs

• Mechanizm nieliniowej rotacji polaryzacji • Odstęp międzymodowy 200 MHz • Rezonator o zbalansowanej dyspersji

(„stretched-pulse”) • Ponad 40 nm pasma • Impulsy poniżej 100 fs • Moc średnia do 100 mW

14

Wzmacnianie impulsów ultrakrótkich

Koncepcja układu Chirped Pulse Amplification (CPA)

G. Sobon et al., Laser Phys. Lett. 10 (2013) 035104

• Moc średnia do 3 W • Impulsy < 400 fs • Moc szczytowa < 40 kW • Wiązka M2 ≈ 1

15

Zastosowania laserów ultra-szybkich

• Precyzyjne pomiary częstotliwości

• Metrologia (np. pomiar odległości)

• Zegary optyczne

• Spektroskopia o dużej rozdzielczości

• Generacja fal terahercowych

• Generacja impulsów attosekundowych w EUV

• Laserowa mikroobróbka materiałów

• Dermatologia, mikrochirurgia, itd.

• Badania naukowe, pump & probe, generacja zjawisk nieliniowych

• Mikroskopia, tomografia optyczna (OCT)

Dziękuję za uwagę!