ReS₂/GaAsヘテロ構造飽和吸収体による超高速受動QスイッチNd:YVO₄レーザー実現

要旨

化学気相成長（CVD）でReS₂/GaAsヘテロ構造を初作製し、受動QスイッチNd:YVO₄レーザーの飽和吸収体（SA）として採用。デバイスは452 kHz繰り返し率で記録的最短パルス幅51.3 ns、パルスエネルギー465 nJ、ピークパワー9.1 W達成。単一材料SA（ReS₂またはGaAs）比較で、ヘテロ構造がより短パルスと高パルスエネルギー実現、高効率Qスイッチングへの優位性実証。

序論

受動Qスイッチングは工業、医療、研究用高エネルギー短パルスレーザー生成の基幹技術。従来半導体飽和吸収ミラー（SESAM）は高性能だが高コスト・狭帯域幅限界。グラフェン、黒リン、遷移金属ダイカルコゲナイド（TMD）等2D材料が広帯域、低コスト、容易作製で有望代替材料浮上。

TMD中でReS₂はバルクでも単層でも直接バンドギャップ（~1.5 eV）保持、光電応答が厚み依存せず安定。先行研究でReS₂ SAが1.5 μm、2.8 μm、3 μm固体レーザー、最近サファイア基板ReS₂ SAで1 μm動作実証。しかしサファイアへの弱いファンデルワールス密着がデバイス堅牢性制限。GaAsはNdドープレーザーで常用、他半導体とヘテロ構造形成（例：MoS₂/GaAs）でキャリア閉じ込め強化、SA性能向上可能。

本研究では、CVD成長ReS₂を110 μm GaAsウェーハへ転写しReS₂/GaAsヘテロ構造合成。Nd:YVO₄レーザーSAとして評価、従来ReS₂およびGaAs SAと比較。

方法/実験

ReS₂単層を硫黄とペルレニン酸アンモニウム前駆体で清浄サファイア基板上CVD合成。得られた単層を10×10 mm²、110 μm厚（111）面方位GaAsウェーハへ転写しヘテロ構造形成（図1参照）。ラマン分光で特徴的A_gモード（134、141 cm⁻¹）とE_gモード（150.7、160.6、210.7、233 cm⁻¹）、III-Iピーク分離16.7 cm⁻¹で単層厚確認。

レーザー共振器：0.1% NdドープcカットNd:YVO₄結晶（3×3×10 mm³）を808 nmファイバ結合ダイオードレーザーでエンドポンプ。400 μmポンプスポット集光。共振器は凹面入力ミラー（200 mm曲率半径、1064 nm高反射、808 nm反射防止）と平面出力カプラ（1064 nm透過率10%）。ReS₂/GaAs（またはGaAs）SAを約30 mm長共振器内出力カプラ近くに配置（図3参照）。

結果と考察

高速InGaAsフォトダイオードとデジタルオシロスコープでパルス特性記録。ポンプパワー0.5-2.26 W増加でパルス幅322 nsから51.3 nsへ短縮、繰り返し率139 kHzから452 kHzへ上昇（図4-5）。ヘテロ構造SAが単独ReS₂とGaAs SAを一貫して上回り、最短パルスと最低繰り返し率達成。

最高ポンプパワー（2.26 W）でヘテロ構造SAは51.3 nsパルス、465 nJエネルギー、9.1 Wピークパワー発生（図6）。対照的にGaAs SAは435 nJで63.2 nsパルス。ヘテロ構造でパルス形状対称性も改善。

ピークパワーとパルスエネルギーのポンプパワー依存性（図7）。ヘテロ構造SAが同条件下でGaAs SAより常に高値。

サファイア基板ReS₂ SA（1.3 Wピークパワーで139 nsパルス）比較で、ヘテロ構造が全主要指標で顕著優位。

結論

ReS₂/GaAsヘテロ構造SAを作製し、受動QスイッチNd:YVO₄レーザーへ統合。2.26 Wポンプで51.3 nsパルス、452 kHz繰り返し率、465 nJパルスエネルギー、9.1 Wピークパワー達成、従来ReS₂およびGaAs SA超える。ReS₂/GaAsヘテロ構造が高性能Qスイッチング用途に極めて有効であること確認。

略語

2D

二次元

AR

反射防止

CVD

化学気相成長

HR

高反射

LPE

液相剥離

OC

出力カプラ

SESAM

半導体飽和吸収ミラー

TMD

遷移金属ダイカルコゲナイド