The main goal of the project is to develop and commercialize ultrafast fiber lasers, based on graphene saturable absorbers, operating in the near infrared region (1550 nm). Graphene is a 2-dimensional material composed of carbon in hexagonal crystal lattice. It has unique optical properties, like broad operation bandwidth, nonlinear optical response (saturable absorption) and ultrafast recovery time may be utilized as a fast optical switch, capable to generate optical pulses with ultrashort durations (below 1 ps) in fiber lasers. Due to excellent mechanical and optical properties of fibers, developed lasers are characterized by compactness, reliability, resistance to external factors and outstanding beam quality. Moreover, the all-polarization maintaining cavity design provides linear polarization output and stable, turn-key operation. The project assumes development of several prototypes, based on graphene saturable absorbers prepared using two techniques: chemical vapor deposition on metallic/semiconductor substrates and liquid phase exfoliation. In order to determine the product quality, the lasers will be implemented and tested in various scientific and industrial applications. Developed lasers will be commercialized by the industrial partner. The project is conducted mainly at Wroclaw University of Technology in Laser & Fiber Electronics Group. We cooperate with the Institute of Electronic Materials Technology, which is responsible for preparation of graphene.

1. 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. 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. 3
Saturable absorbers
SEmiconductor Saturable
Absorber Mirror
Graphene Saturable
Absorber, GSA
Nonlinear Polarization
Rotation, NPR
Carbon NanoTubes, CNT

4. 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) 032701Q. Bao et al. Adv. Funct. Mater. 19, 3077-3083 (2009)

5. 5
Ultrafast, graphene-based fiber laser
Compact, reliable and simple
construction.
Characteristics:
- τ = 200 fs
- frep = 50 MHz
- Pout = 2 mW

6. 6
Thank you!

7. 7
Rezonator laserowy
Warunek fali stojącej:
λ = nL/2
Odstęp międzymodowy:
Δf = c/2L
CZAS
MOC
Tryb pracy ciągłej (CW)
Continuous Wave
Suma niekoherentna

8. 8
Laser z synchronizacją modów
CZAS
MOC
Mody zsynchronizowane
φ = φM – φM-1 = const
Tryb pracy
impulsowej
Impuls
ultrakrótki
Fale w fazie

9. 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. 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) 032701Q. Bao et al. Adv. Funct. Mater. 19, 3077-3083 (2009)

11. 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. 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. 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. 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. 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!