MXene-Ti<sub>3</sub>C<sub>2</sub>T<sub>x</sub> for watt-level high-efficiency pulse generation in a 2.8 μm mid-infrared fiber laser
Chen Wei, Liqiang Zhou, Dongsheng Wang, Hao Chi, Hua Huang, Han Zhang, Yong Liu
Abstract
We report a watt-level passively <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m1"> <mml:mrow> <mml:mi>Q</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> -switched 2.8 μm mid-infrared multi-mode fiber laser by employing multi-layered two-dimensional MXene- <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m2"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>Ti</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>x</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> as the saturable absorber (SA). The MXene- <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m3"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>Ti</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>x</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> is fabricated by selectively etching aluminum layers in <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m4"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>Ti</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>AlC</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> . The non-saturable loss, modulation depth, and saturable intensity of the SA at 2866 nm were measured to be 25.0%, 33.2%, and <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m5"> <mml:mrow> <mml:mn>0.043</mml:mn> <mml:mtext> </mml:mtext> <mml:mi>GW</mml:mi> <mml:mo>/</mml:mo> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mi>cm</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> , respectively. The maximum average output power of the <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m6"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>Ti</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>x</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m7"> <mml:mrow> <mml:mi>Q</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> -switched fiber laser reached 1.09 W at 28.23% slope efficiency. The pulse repetition rate, shortest pulse width, pulse peak power, and single-pulse energy were 78.12 kHz, 1.04 μs, 13.4 W, and 13.93 μJ, respectively. This is the first demonstration of watt-level pulse generation in a mid-infrared fiber laser using low dimensional materials, to the best of our knowledge. These results indicate that the <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m8"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>Ti</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>x</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> is a reliable and superior broadband SA for high power mid-infrared pulsed laser generation.