Sulfur-doped graphitic carbon nitride for Tm:YAIO₃ laser operation at 2.3  µm

Abstract

We report on the first, to the best of our knowledge, passive <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi>Q</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> -switching operation at 2.3 µm passively based on <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi> <mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mo>:</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msub> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">Y</mml:mi> <mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi> <mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi> <mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> (Tm:YAP) <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mml:msup> <mml:mi/> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:msup> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msub> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mn>4</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:mo stretchy="false">→</mml:mo> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msup> <mml:mi/> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:msup> </mml:mrow> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msub> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mn>5</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> transition with sulfur-doped graphitic carbon nitride ( <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mtext>-</mml:mtext> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msub> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msub> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mn>4</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> ) as the saturable absorber. Sulfur-doping engineering in <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mtext>-</mml:mtext> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msub> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msub> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mn>4</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> was manifested to enhance its mid-infrared nonlinear saturable absorption characteristics, which was confirmed by the conventional open-aperture <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">Z</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> -scan experiment with the excitation at 2.3 µm. The large effective nonlinear absorption coefficient of <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mtext>-</mml:mtext> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msub> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi> <mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msub> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mn>4</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> was determined to be <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mo>−</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mn>0.68</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mspace width="thickmathspace"/> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi> <mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mo>/</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">G</mml:mi> <mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> , indicating the remarkable MIR optical response. Initiated by <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mtext>-</mml:mtext> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msub> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi> <mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msub> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mn>4</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> , a passively <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi>Q</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> -switched laser operating at 2274.6 nm was configured with <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mml:mi>a</mml:mi> </mml:math> -cut 3.0 at.% Tm:YAP as the gain medium. Stable <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi>Q</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> -switching pulses were generated with the shortest pulse width of 140 ns, corresponding to the maximum peak power of 21.8 W. The experimental results reveal the effectiveness of sulfur doping to improve the performance of <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mtext>-</mml:mtext> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msub> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msub> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mn>4</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> in the MIR pulse generation.

Topics & Concepts