0867

2. Изготовление пленок из углеродных нанотрубок и их свойства

Для изготовления пленок использовались порошки одностенных углеродных нанотрубок, коммерчески доступные в компании OCSiAl. Их особенностью является относительно большой диаметр – от 1.8 до 2.5 нм.

Стабильные суспензии ОУНТ были приготовлены путем диспергирования неочищенных нанотрубок в водном растворе натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) (средней вязкости, производство Sigma) посредством ультразвуковой обработки с последующим ультрацентрифугированием при ускорении 150000g в течение

1 ч (центрифуга Optima Max-E Beck-man-Coulter). Го­ могенный раствор супернатанта представлял собой стабильную суспензию одиночных ОУНТ и использовался для приготовления пленок [14].

Пленки оптического качества на основе КМЦ и одностенных углеродных нанотрубок были получены методом полива на неподвижную сапфировую подложку супернатанта суспензии ОУНТ с последующим медленным (3 – 4 суток) высушиванием. Толщина пленок варьировалась в интервале 10 – 100 мкм. Для получения пленок необходимой толщины с требуемой концентрацией ОУНТ варьировались соотношения объемов суспензии ОУНТ и чистого полимера. Данная технология уже применялась для изготовления пленочных насыщающихся поглотителей ранее в работах [15,  16], что может свидетельствовать

отехнологичности процесса изготовления поглотителей.

Вкачестве насыщающегося поглотителя в рамках данной работы нами использовался элемент в виде сапфировой подложки толщиной 1 мм, на одну сторону которой были нанесены углеродные нанотрубки. Элемент устанавливался в резонаторе лазера и работал на пропускание. Спектры пропускания сапфировой подложки без нанотрубок и после их нанесения, а также фотография изготовленного насыщающегося поглотителя представлены на рис.1.

Вспектре пропускания сапфировой подложки вместе с нанотрубками наблюдается поглощение на длине волны 1.65 и 2.2 мкм, что обусловлено резонансным погло-

Рис.1.  Спектр пропускания сапфировой подложки (толщиной 1 мм) и спектр пропускания после нанесения нанотрубок на подложку (измерения поводились в центральной области элемента диаметром 3 мм), а также фотография изготовленного насыщающегося поглотителя.

Рис.2.  Спектр комбинационного рассеяния света в сапфировой подложке­ с нанесенными нанотрубками (а); плотность распределения нанотрубок по их диаметру (б).

щением нанотрубками, а также поглощение вблизи 2.8 – 2.9 мкм, которое связано с методикой изготовления нанотрубок. Был измерен спектр комбинационного рас­ сеяния (КР) света в образце с нанесенными нанотрубками при возбуждении источником с длиной волны 532 нм. Результаты измерений показаны на рис.2,а.

На измеренном спектре КР света отчетливо наблюдается тангенциальная мода, которая расположена вблизи частоты 1592 см–1, что свидетельствует от том, что в процессе синтеза и нанесения нанотрубок на сапфировую подложку не произошла их деградация. Также на спектре отчетливо видны так называемые радиальные дыхатель-

ные моды (radial breathing modes, RBM) вблизи частоты

125 см–1. Абсолютное значение этой частоты связано с диаметром нанотрубок следующим соотношением: wRBM = 234/d + 10, где d – диаметр нанотрубок (в нм) [17]. Распределение­ диаметров ОУНТ, присутствующих в пленке, оценивалось по характерным частотам дыхательных мод в низкочастотной области спектров КР света и представлено на рис.2,б, из которого видно, что в изготовленном образце больше всего трубок с диаметром 2 нм.

Для создания лазера использовался кристалл Cr2+ : ZnSe, для которого центральная длина волны спектра люминесценции располагается вблизи 2.45 мкм, т. е. находится на краю резонансного провала поглощения изготовленных нанотрубок с центром на длине волны

2.2 мкм.

Рис.4.  Зависимости выходной мощности лазера от падающей мощ­ ности накачки и дифференциальный КПД лазера h для разных схем построения резонатора (а); осциллограмма сигнала на выходе лазера, измеренного на быстродействующем приемнике излучения (б); электрический спектр сигнала с приемника излучения (в).

посредственно в диапазоне 2.2 – 2.6 мкм. Для каждой модификации лазерного резонатора была измерена длительность импульса с использованием сканирующего автокоррелятора AA-20DD (ООО «Авеста»).

На рис.5 представлены оптический спектр и автокорреляция для 1-й модификации лазерного резонатора; дополнительно на рис.5,а приведен спектр пропускания паров воды в атмосфере для слоя воздуха толщиной 10 м и влажности 50 %, а также спектр пропускания выходного зеркала резонатора.

В оптическом спектре лазера наблюдаются провалы, спектральное положение которых хорошо согласуется с полосами поглощения паров воды, что приводит к наличию побочных всплесков в автокорреляционных функ­ циях (подобное наблюдалось в работе [20]). Полученная автокорреляция по интенсивности (красная кривая на рис.5,б) хорошо аппроксимируется функцией Гаусса (показана белым цветом), что согласуется с положительной суммарной дисперсией резонатора и указывает на то, что лазер работает в режиме генерации растянутых импульсов. Для данного режима получена длительность импульса 551 ± 1 фс, максимальная выходная мощность соста­ вила 70 мВт. Необходимо отметить, что этот результат является первой демонстрацией синхронизации мод в среднем ИК диапазоне в режиме растянутых импульсов.

На рис.6 представлены оптический спектр и автокорреляция для 2-й модификации лазерного резонатора. Как было отмечено выше, эта модификация отличается тем, что в резонатор добавлена пластинка из CaF2 для до­ полнительной компенсации дисперсии резонатора. Плас­ тинка размещалась под углом Брюстера, что позволяло избежать дополнительных потерь в лазерном резонаторе. В данном случае суммарная дисперсия резонатора становится отрицательной на интервале длин волн 2.35 – 2.5 мкм, что обеспечивает условия для генерации солитонных импульсов.

Из рис.6,б следует, что длительность импульса составляет 324 ± 1 фс, а автокорреляционная функция хорошо аппроксимируется гиперболическим секансом. В данной конфигурации выходная мощность составила 70 мВт при максимальной доступной мощности накачки. На следующем шаге мы уменьшили пропускание выходного зеркала до 2 %, что позволило снизить длительность импульса до 158 ± 1 фс, но также привело к падению выходной мощности до 17 мВт при максимальной мощности накач-

ки. Измеренный оптический спектр лазерного излучения для 3-й модификации резонатора показан на рис.7,а, а автокорреляция по интенсивности – на рис.7,б.

Ширина оптического спектра на полувысоте для первой модификации лазерного резонатора составляет ~15 нм, для второй модификации – около 25 нм и для третьей модификации – около 40 нм. Сравнивая измеренные значения длительности импульсов и ширины спектров, можно сделать вывод, что во всех модифи­кациях лазерного резонатора наблюдаются импульсы, близ­кие к спектрально-ограниченным. Для первой и второй конфигураций лазера была получена наибольшая вы­ходная мощность 70 мВт, что соответствует плот­ности энергии на насыщающемся поглотителе около 60 мкДж/см2. За время работы лазера деградации или разрушения углеродных нанотрубок не наблюдалось.

5. Заключение

Продемонстрирована возможность использования углеродных­ нанотрубок для реализации синхронизации мод в лазере на основе монокристалла Cr2+ : ZnSe. Раз­ работанная методика изготовления элемента для синхронизации мод, основанная на осаждении нанотрубок на подложку из сапфира, позволяет одновременно реализовать компенсацию дисперсии и синхронизацию мод. На­

именьшая длительность импульса в 158 фс нами получена с дополнительной компенсационной пластинкой, однако можно легко оптимизировать сам элемент для синхронизации мод за счет увеличения толщины сапфировой подложки, что позволит не использовать дополнительно пластинку из CaF2. Такой подход позволяет реализовать источник коротких импульсов в диапазоне 2.3 – 2.5 мкм без использования сложной конфигурации резонатора с компенсационными призмами и дорогостоящих чирпированных зеркал.

Коллектив авторов благодарит А.А.Крылова за участие в обсуждении результатов работы.

Работа по созданию и характеризации элементов на основе углеродных нанотрубок выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект № 21-72-20050).

1.Vodopyanov K.L. Laser-based Mid-infrared Sources and Applica­ tions (John Wiley & Sons, 2020).

2.Mirov S.B., Moskalev I.S., Vasilyev S., Smolski V., Fedorov V.V., Martyshkin D., Peppers J., Mirov M., Dergachev A., Gapontsev V.

IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., 24 (5), 1601829 (2018).

3.Sorokina I.T., Sorokin E. IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., 21

(1), 273 (2014).

4.Bu X. et al. Proc. SPIE, 10619, 1061903 (2018).

5.Sorokina I.T., Sorokin E., Carrig T.J. Proc. Conf. on Lasers and Electro-Optics(CLEO)(LongBeach,CA,USA,2006,paperCMQ2).

6.Cizmeciyan M.N. et al. Opt. Lett., 38 (3), 341 (2013).

7.Okazaki D. et al. Opt. Express, 28 (14), 19997 (2020).

8.Cizmeciyan M.N. et al. Opt. Lett., 34 (20), 3056 (2009).

9.Wang Y., Fernandez T.T., Coluccelli N., Gambetta A., Laporta P., Galzerano G. Opt. Express, 25 (21), 25193 (2017).

10.Tausenev A.V., Obraztsova E.D., Lobach A.S., Chernov A.I., Konov V.I., Kryukov P.G., Konyashchenko A.V., Dianov E.M. Appl. Phys. Lett., 92 (18), 171113 (2008).

11.Kivistö S., Hakulinen T., Kaskela A., Aitchison B., Brown D.P., Nasibulin A.G., Kauppinen E.I., Härkönen A., Okhotnikov O.G. Opt. Express, 17, 2358 (2009).

12.Solodyankin M.A., Obraztsova E.D., Lobach A.S., Chernov A.I., TausenevA.V.,KonovV.I.,DianovE.M.Opt.Lett.,33(12),1336(2008).

13.Tolstik N., Okhotnikov O., Sorokin E., Sorokina I.T. Proc. SPIE, 8959, 89591A (2014).

14.Chernov A.I., Obraztsova E.D., Lobach A.S. Phys. Status Solidi B, 244 (11), 4231 (2007).

15.Таусенев А.В., Образцова Е.Д., Лобач А.С., Чернов А.И., Конов В.И., Конященко А.В., Крюков П.Г., Дианов Е.М.

Квантовая электроника, 37 (3), 205 (2007) [Quantum Electron., 37

(3), 205 (2007)].

16.Travers J.C. et al. Laser Phys. Lett., 8 (2), 144 (2011).

17.Бокова С.Н., Конов В.И., Образцова Е.Д., Осадчий А.В.,

Пожаров А.С., Терехов С.В. Квантовая электроника, 33 (4), 645 (2003) [Quantum Electron., 33 (4), 645 (2003)].

18.Akimov V.A., Frolov M.P., Korostelin Y.V., Kozlovsky V.I., Landman A.I., Podmar’kov Y.P., Voronov A.A. Phys. Status Solidi C, 3 (4), 1213 (2006).

19.Козловский В.И., Коростелин Ю.В., Охотников О.Г., Подмарь­ ков Ю.П., Скасырский Я.К. и др. Квантовая­ электроника, 43 (9), 885 (2013) [Quantum Electron., 43 (9), 885 (2013)].

20.Gladyshev A., Yatsenko Y., Kolyadin A., Kompanets V., Bufetov I.

Opt. Mater. Express, 10, 3081 (2020).