徐知微，閆佳樂，王國珍，李奔，陸寶樂，白楊

（1 西北大學(xué) 光子學(xué)與光子技術(shù)研究所， 西安 710127） （2 省部共建西部能源光子技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室， 西安 710127） （3 陜西省全固態(tài)激光及應(yīng)用工程技術(shù)研究中心， 西安 710127）

0 引言

在全固態(tài)激光技術(shù)領(lǐng)域，由激光增益介質(zhì)Nd∶YAG 晶體或Nd∶YAG 陶瓷的上能級4F3/2與下能級3I11/2之間受激輻射可產(chǎn)生1 112 nm 的熒光譜線［1］。借助非線性頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)（二次諧波產(chǎn)生），可以將激光諧振腔內(nèi)振蕩的1 112 nm 的基頻光轉(zhuǎn)換成556 nm 的黃綠激光［2，3］。低噪聲的556 nm 黃綠激光器在工業(yè)、大氣遙感、通信、信息存儲、食品和藥品檢測等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。特別是在生物醫(yī)療領(lǐng)域，低噪聲的556 nm 黃綠激光可以作為共焦腔顯微鏡、流式細(xì)胞術(shù)、生物成像系統(tǒng)、激發(fā)熒光素藻紅蛋白等生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的理想光源［4-6］。

獲得低噪聲的556 nm 倍頻黃綠激光關(guān)鍵在于在諧振腔內(nèi)產(chǎn)生1 112 nm 基頻光振蕩的同時，抑制由Nd∶YAG 晶體或Nd∶YAG 陶瓷受激輻射產(chǎn)生的1 064、1 319、946、1 116、1 123 nm 等其它光譜線。通過在諧振腔腔鏡上鍍制增透膜，可以有效抑制1 064、1 319、946 nm 光譜線的腔內(nèi)振蕩。然而，1 112、1 116、1 123 nm 三條譜線之間波長相差極小且彼此的受激發(fā)射截面近似，難以僅通過鍍增透膜抑制1 116 nm 和1 123 nm 兩條光譜線。因此，若無主動干預(yù)，1 112、1 116、1 123 nm 三條光譜將同時形成腔內(nèi)振蕩，導(dǎo)致556 nm 倍頻黃綠激光的噪聲大幅增加。為了抑制1 116 nm 和1 123 nm 兩條光譜，通常采用法布里-珀羅（Fabry-Perot， F-P）標(biāo)準(zhǔn)具或以布儒斯特角放置的雙折射晶體（Birefringent Crystal， BC）。然而，F(xiàn)-P 標(biāo)準(zhǔn)具的高插入損耗會大幅提高1 112 nm 基頻光的振蕩閾值，導(dǎo)致556 nm 黃綠激光的倍頻效率和輸出功率低，甚至可能造成1 112 nm 基頻光無法形成振蕩。而使用BC 時，通常需要同時精確調(diào)節(jié)BC 的布魯斯特角、BC表面與諧振腔光軸之間的夾角以及倍頻晶體的相位匹配角。這種復(fù)雜的多維角度調(diào)節(jié)往往給獲取低噪聲的556 nm 黃綠激光輸出帶來極大的難度。在前期研究中，課題組在諧振腔中插入由布儒斯特偏振器（BP）和BC 共同組成的雙折射濾波器（BF），分別在556.31、558.35、561.62 nm 三個波長上獲得了波長可調(diào)、連續(xù)輸出功率均超過600 mW、高穩(wěn)定性、低噪聲的黃綠激光輸出［2］。然而，相較于連續(xù)輸出，脈沖輸出的黃綠激光具有熱作用時間短，峰值功率高，對周圍生物組織影響小的特點(diǎn)。因此，高穩(wěn)定性、低噪聲的脈沖黃綠激光將具有更為廣闊的應(yīng)用前景。

調(diào)Q是產(chǎn)生脈沖激光最有效的方法之一，其中采用被動調(diào)Q方式的脈沖激光器具有無需調(diào)Q驅(qū)動器、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉、使用簡單等優(yōu)點(diǎn)。近年來，碳化鈦（Ti3C2Tx）憑借其能帶結(jié)構(gòu)可控、非線性光學(xué)響應(yīng)范圍寬、非線性吸收系數(shù)大、損傷閾值高等特點(diǎn)，在被動調(diào)Q激光研究領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注［7］。然而，目前將Ti3C2Tx作為可飽和吸收體（SA）的報道主要集中在1.06、1.3、2.73、3 μm 激光波長［8-11］，尚未見有關(guān)基于Ti3C2Tx被動調(diào)Q的556 nm 黃綠激光的報道。

本文采用808 nm 半導(dǎo)體激光二極管（LD）端面泵浦Nd∶YAG 陶瓷直線型諧振腔結(jié)構(gòu)，利用Ti3C2Tx-聚乙烯醇（PVA）薄膜作為SA、BP 和BC 協(xié)同實(shí)施對1 112 nm 和1 116 nm 光譜抑制以及壓縮1 123 nm 光譜的縱模個數(shù)以及I 類角度相位匹配LBO 晶體腔內(nèi)倍頻，獲得了低噪聲的556 nm 被動調(diào)Q脈沖黃綠激光輸出。在5.1 W 最大LD 泵浦功率下，556 nm 黃綠激光的輸出功率超過86 mW，重復(fù)頻率達(dá)到745.8 kHz，脈沖寬度為46 ns，4 h 內(nèi)功率不穩(wěn)定度和激光噪聲分別僅為±0.39%和0.37%。

1 Ti3C2Tx-PVA 可飽和吸收體的制備和表征

Ti3C2Tx-PVA 可飽和吸收體的制備采用液相剝離法（LPE）和旋涂法相結(jié)合的工藝，其過程如圖1。首先，將純度為99.99%的25 mg Ti3C2Tx粉末溶解在由75 mL 去離子水和75 mL 無水乙醇構(gòu)成的混合溶液中，并對混合溶液進(jìn)行30 min 超聲處理以減少Ti3C2Tx粉末的層數(shù)。然后，將超聲處理后的混合溶液以5 000 r/min 的速率離心10 min，提取上清液。由圖2 展示的1 064 nm 激光激發(fā)的148 cm-1，202 cm-1，403 cm-1和620 cm-1拉曼特征峰可以確認(rèn)上清液中存在Ti3C2Tx納米片［12］。如圖3，原子力顯微鏡（AFM）測得上清液中Ti3C2Tx納米片厚度約為3.2 nm。根據(jù)Ti3C2Tx的層間距大約為0.99 nm［13］，可以推測制備的Ti3C2Tx納米片的層數(shù)約為3 至4 層。最后，將250 mg 聚乙烯醇（PVA）粉末溶入25 mL 的去離子水中。在90 °C 恒溫下磁力攪拌1 h 后，將PVA 溶液與含有Ti3C2Tx納米片的上清液按照1∶1 體積比混合。在超聲處理1 h 后，利用旋涂機(jī)將Ti3C2Tx-PVA 混合溶液涂覆在厚度為0.2 mm 的藍(lán)寶石玻璃片（SG）上，并在80 °C 恒溫下烘干24 h，從而制備出Ti3C2Tx-PVA 薄膜。使用厚度測量儀測得Ti3C2Tx-PVA 薄膜的厚度為14.5 μm。采用基于脈寬為14 ps、重復(fù)頻率為28.8 MHz 的1 064 nm 鎖模光纖激光器（波長接近1 112 nm）的平衡雙探測器系統(tǒng)測定了Ti3C2Tx-PVA 薄膜的透射率與照射強(qiáng)度之間的關(guān)系，結(jié)果如圖4。Ti3C2Tx-PVA 薄膜的透過率隨激光強(qiáng)度增加而增加后趨于飽和狀態(tài)，表明該薄膜具有良好的可飽和吸收特性。通過對非線性光學(xué)透過率擬合得到該薄膜的非飽和損耗為12%，飽和光強(qiáng)達(dá)到2.12 MW/cm2，調(diào)制深度為6.35%。結(jié)果表明，所制備的Ti3C2Tx-PVA 薄膜具有較大的調(diào)制深度，驗證了Ti3C2Tx-PVA 薄膜作為SA 用于獲取1 112 nm 脈沖基頻光的適用性。此外，為了改善Ti3C2Tx-PVA 薄膜的導(dǎo)熱性并確保其長期工作的可靠性，在藍(lán)寶石玻璃的兩通光面粘附兩片導(dǎo)熱紫銅片，其中導(dǎo)熱紫銅片上粘附一片方形銅質(zhì)散熱器。利用脈沖重復(fù)頻率為10 Hz、脈沖寬度為20 ns、光斑直徑約為1 mm 的1 064 nm 脈沖激光測量了被銅質(zhì)散熱器夾持的Ti3C2Tx-PVA 薄膜的激光損傷閾值。激光照射能量從零開始，逐漸增加至薄膜損壞。實(shí)驗測得該薄膜的激光損傷閾值即能夠承受的激光功率密度達(dá)到 7.91 MW/cm2。

圖1 Ti3C2Tx-PVA 薄膜可飽和吸收體制備流程Fig. 1 The preparation process of the Ti3C2Tx-PVA film

圖2 Ti3C2Tx納米片的拉曼光譜Fig. 2 Raman spectra of the Ti3C2Tx nanosheets

圖3 Ti3C2Tx納米片的原子力顯微鏡圖像Fig. 3 AFM of the Ti3C2Tx nanosheets

圖4 Ti3C2Tx-PVA 薄膜的非線性光學(xué)特性Fig.4 The nonlinear optical property from the Ti3C2Tx-PVA film

2 實(shí)驗裝置

基于Ti3C2Tx-PVA 薄膜可飽和吸收體被動調(diào)Q的脈沖黃綠光激光器諧振腔結(jié)構(gòu)示意及實(shí)物如圖5。最大泵浦功率為5.1 W 的808 nm LD 泵浦模塊由單獨(dú)的一塊半導(dǎo)體制冷片（TEC）實(shí)施25 ℃恒溫冷卻。由兩個對稱放置的平凸透鏡組成的擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡組（BSCLS）以3.5 mm 的焦距將808 nm LD 泵浦光束聚焦在Nd∶YAG 陶瓷的泵浦面后側(cè)，焦斑半徑約為250 μm。諧振腔由Nd∶YAG 陶瓷的泵浦面和平凹輸出耦合鏡（OC）組成。各個光學(xué)元件通光面鍍制的增透膜或高反膜均為了抑制1 064 nm、1 319 nm 和946 nm 三條主要譜線的腔內(nèi)振蕩，并確保實(shí)現(xiàn)1 112 nm 雙通倍頻、556 nm 黃綠激光單向輸出，鍍膜情況如表1。Nd∶YAG陶瓷（尺寸2 mm×2 mm×6 mm，Nd3+摻雜濃度0.5 at.%）和I 類角度匹配的LBO 倍頻（尺寸2 mm×2 mm ×12 mm，切割角θ=90°，φ=8.2°@1 112 nm）晶體分別用銦箔包裹后固定在銅制冷卻塊中，由另一塊TEC 實(shí)施20 ℃的恒溫冷卻。熔融石英玻璃材質(zhì)BP 的厚度為0.5 mm，石英晶體材質(zhì)BC 的厚度為2.5 mm，兩者的通光面尺寸均為6 mm×6 mm。LD 模塊和Nd∶YAG 陶瓷均固定在鋁制熱沉上，其它光學(xué)元件均由一個三維弧擺臺連接并實(shí)施精確的三維距離、水平角和俯仰角調(diào)節(jié)。

表1 諧振腔內(nèi)光學(xué)元件通光面鍍膜情況 （R： 反射率）Table 1 Coating on the surfaces of the optical element in the cavity （R： reflectivity）

圖5 556 nm 被動調(diào)Q 黃綠光激光器裝置Fig.5 Setup of the passively Q-switched yellow-green laser at 556 nm

當(dāng)LD 泵浦功率從1 W 增加到5 W 時，采用熱透鏡焦距動態(tài)測試法［14］測得Nd∶YAG 陶瓷的熱焦距從～900 mm 減少到～500 mm?；跓嵬哥R焦距變化、ABCD 矩陣?yán)碚摵图す庵C振腔設(shè)計軟件（LASCAD）對被動調(diào)Q的556 nm 脈沖黃綠光激光諧振腔的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計后，確定OC 的腔內(nèi)凹面的曲率半徑為600 mm，諧振腔腔長為49.0 mm。從Nd∶YAG 陶瓷輸出端面至OC 的腔內(nèi)凹面，相鄰兩個光學(xué)元件之間的距離分別為3.2 mm、3.1 mm、10.0 mm、8.0 mm 和4.5 mm。

根據(jù)菲涅爾定律，經(jīng)過BP 的非偏振光將被分為p-偏振光和s-偏振光。兩種偏振光在BP 表面的反射率可表示為［15］

式中，Rp和Rs分別為p-偏振光和s-偏振光在BP 表面的反射率，α和β分別為非偏振光的入射角和折射角。

由熔融石英玻璃制成的BP 在1 112 nm、1 116 nm 和1 123 nm 處的折射率（ni）分別為1.444、1.435 和1.424。假設(shè)空氣折射率近似為1，根據(jù)布儒斯特定律和折射定律，布儒斯特角Φi、ni、α和β之間的關(guān)系可表示為

式中，i依次表示1 112 nm、1 116 nm 和1 123 nm 波長，相應(yīng)的Φi可分別通過式（3）和（4）計算得出，分別為55.31°、55.12°和54.92°。

如圖6（a），當(dāng)α=Φ1112=55.31°時，只有1 112 nm 處p-偏振光的Rp為零。結(jié)果是1 112 nm 處p-偏振光在BP 面上的反射損耗最低，而1 116 nm 和1 123 nm 處p-偏振光的單次往返反射率分別0.82%和0.37%。在諧振腔內(nèi)經(jīng)多次往返振蕩后，1 112 nm 處p-偏振光因最低的反射損耗而形成腔內(nèi)振蕩，而1 116 nm 和1 123 nm 處p-偏振光則因累積的反射損耗過大而被抑制。

圖6 p-偏振光和s-偏振光的反射率模擬Fig. 6 Simulated reflectivity of p-polarized light and s-polarized light

同時，在諧振腔內(nèi)引入BC，其透射面垂直于腔內(nèi)振蕩的1 112 nm 處p-偏振光。BC 固有的雙折射效應(yīng)將1 112 nm 處p 偏振光分解為尋常光（o 光）和非尋常光（e 光）。經(jīng)過BC 的單程后，o 光和e 光之間將產(chǎn)生相位延遲Δψ［16］，表示為

式中，D=2.5 mm 表示BC 的厚度，λ=1 112 nm；no和ne分別為1 112 nm 波長處o 光和e 光的折射率。

繞諧振腔光軸旋轉(zhuǎn)BC，當(dāng)1 112 nm 處p-偏振光與BC 光軸之間的角度為45°時，1 112 nm 處p-偏振光在單次往返BC 后發(fā)生180°旋轉(zhuǎn)，對應(yīng)于Δψ為2π 的倍數(shù)，即

式中，m=0， ±1， ±2， ±3，……。

由于p-偏振方向未改變，只有1 112 nm 處m=0， ±1， ±2， ±3，……的縱模能夠在腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)零反射的低損耗振蕩，而其余縱模將因反射率不為零被抑制。需要強(qiáng)調(diào)的是，p-偏振和s-偏振光單次往返通過 BC后的透過率Tp和Ts分別為［17］

在1 112 nm、1 116 nm 和 1 123 nm 處o 光和e 光在石英晶體中的折射率分別為如圖6（b），當(dāng)1 112 nm 處p-偏振光滿足 Δψ=mπ（m為零或偶數(shù)）時，Tp=100%。根據(jù)式（6）和（7），可以得到1 116 nm 和 1 123 nm處p-偏振光相對于1 112 nm 處p-偏振光將分別產(chǎn)生1.39 rad 和6.59 rad 的附加相位延遲Δψ*，對應(yīng)的透射率均為～79.79%，即BC 對1 116 nm 和1 123 nm 處p-偏振光均產(chǎn)生～20.21%的單次往返反射損耗。當(dāng)m為奇數(shù)時，由BC 導(dǎo)致的～40%高反射率均對1 112 nm、1 116 nm 和1 123 nm 處的三條譜線產(chǎn)生腔內(nèi)振蕩抑制。

3 結(jié)果與分析

BP 和BC 都具有抑制1 112 nm 和1 116 nm 腔內(nèi)振蕩的能力，而“BP+BC”的協(xié)同使用進(jìn)一步增強(qiáng)了諧振腔對1 112 nm 和1 116 nm 的抑制能力，在確保只有1 112 nm 光譜線在腔內(nèi)振蕩和放大的同時，減少了1 112 nm 縱模數(shù)量。結(jié)合Ti3C2Tx-PVA 薄膜被動調(diào)Q和LBO 晶體腔內(nèi)倍頻，從而實(shí)現(xiàn)了556 nm 黃綠激光的濾波和降噪。此外，LBO 晶體與BP、BC 的精確配位進(jìn)一步抑制了諧振腔內(nèi)由增益交叉飽和與和頻效應(yīng)引起的縱模耦合，可有效提高556 nm 被動調(diào)Q黃綠激光輸出的功率穩(wěn)定性并降低其噪聲。如圖7 所示，倍頻黃綠激光的中心波長為556.07 nm，線寬為0.41 nm。隨著LD 泵浦功率從閾值2.53 W 增加到5.1 W，最高平均功率達(dá)到了86.2 mW，脈沖重復(fù)頻率從500.1 kHz 增加至745.8 kHz，而脈沖寬度從90 ns 減少至46 ns。由于受到受激發(fā)射截面僅為1 064 nm 波長1/12 的限制，1 112 nm 受激輻射獲得的增益較低［2］，加之“BP+BC”選頻濾波、Ti3C2Tx-PVA 可飽和吸收及LBO 腔內(nèi)倍頻引入了部分插入損耗，導(dǎo)致腔內(nèi)倍頻556 nm 被動調(diào)Q黃綠激光的光光轉(zhuǎn)換效率和斜率效率較低，分別僅為1.69%和3.35%。根據(jù)被動調(diào)Q脈沖形成機(jī)理，隨著LD 泵浦功率的升高，腔內(nèi)1 112 nm 基頻光功率密度增大，Ti3C2Tx-PVA 薄膜作為SA 能夠在更短的時間內(nèi)被“漂白”，1 112 nm 脈沖形成的周期更短，從而使得1 112 nm 基頻光的脈沖重復(fù)頻率更高，經(jīng)1 112 nm腔內(nèi)倍頻獲得的556 nm 倍頻光的單脈沖能量在隨LD 泵浦功率快速增大后趨于穩(wěn)定。Ti3C2Tx-PVA 薄膜除具備SA 功能外，因其可飽和吸收所引發(fā)的腔內(nèi)損耗提高了1 112 nm 激光腔內(nèi)振蕩閾值，遠(yuǎn)離其中心波長的縱模由于獲得的增益小于振蕩閾值而被抑制，只有靠近中心波長的部分縱模能夠獲得較大增益而形成激光振蕩，故Ti3C2Tx-PVA 薄膜也具備了濾波功能。同時，“BP+BC”的選頻濾波作用有效抑制了1 116 nm 和1 123 nm 處譜線振蕩并減少了1 112 nm 處p-偏振光的縱模個數(shù)，腔內(nèi)振蕩的1 112 nm 處p-偏振光功率密度顯著增加，促使Ti3C2Tx-PVA 薄膜能夠進(jìn)一步在更短的周期和更高的頻率下達(dá)到吸收飽和，從而獲得更高的重復(fù)頻率和更短的脈沖寬度［18］。在最大LD 泵浦功率下，Ti3C2Tx-PVA 薄膜作為SA 未呈現(xiàn)出“透明”特征?；?.91 MW/cm2的Ti3C2Tx-PVA 薄膜激光損傷閾值表明，若進(jìn)一步提高LD 泵浦功率，有望實(shí)現(xiàn)脈沖寬度更窄、重復(fù)頻率更高、平均功率更大的556 nm 被動調(diào)Q黃綠激光輸出。

圖7 556 nm 被動調(diào)Q 黃綠激光的輸出特性Fig. 7 Output characteristics of the passively Q-switched yellow-green laser at 556 nm

使用556 nm 處透過率和反射率分別約為90%和10%的分束鏡、功率計、示波器和PIN 型硅光電二極管（PIN 管），同時測量了556 nm 被動調(diào)Q黃綠激光的功率穩(wěn)定性和噪聲，測量時長為4 h，測量間隔為2 s。功率計用于測量556 nm 透射激光束的功率不穩(wěn)定性，測試結(jié)果如圖8（a）。連接示波器的PIN 管測量556 nm反射激光束的噪聲。PIN 管產(chǎn)生的電信號被分成兩部分，如圖8（b）。當(dāng)用光閘阻斷反射激光束，進(jìn)入示波器1#通道（交流耦合模式）的電信號表示背景噪聲（NB-RMS區(qū)域，藍(lán)色曲線）。當(dāng)移除光閘后，進(jìn)入示波器1#通道的電信號表示包含了激光噪聲和背景噪聲的總噪聲（NT-RMS區(qū)域，藍(lán)色曲線），而進(jìn)入示波器2#通道（直流耦合模式）的電信號則表示激光的絕對強(qiáng)度（NI-RMS區(qū)域，紅色曲線）。根據(jù)式（10）和（11）［19］計算的556 nm 黃綠激光的功率不穩(wěn)定度Δξ和噪聲ΔNL-RMS僅為±0.39%和0.37%。結(jié)果表明，“BP+BC”協(xié)同Ti3C2Tx-PVA薄膜的選頻濾波有效降低了556 nm 被動調(diào)Q脈沖黃綠激光的噪聲，4 h 的持續(xù)測量也驗證了制備的Ti3C2Tx-PVA 薄膜作為SA 在實(shí)施熱管理措施后表現(xiàn)出良好的可靠性。此外，在最大輸出功率時利用激光束質(zhì)量分析儀測得的556 nm 被動調(diào)Q黃綠激光的光束質(zhì)量評價因子為和。測量數(shù)據(jù)及近場光束光斑的2D 和3D 圖像如圖9。

圖8 在4 h 內(nèi)被動調(diào)Q 的556 nm 黃綠激光輸出穩(wěn)定性測試Fig. 8 Stability of the 556 nm passively Q-switched yellow-green laser at maximum average output power in a 4 h

圖9 556 nm 被動調(diào)Q 黃綠激光的光束質(zhì)量測試數(shù)據(jù)及2D、3D 近場光束光斑輪廓Fig. 9 Beam quality measurement data and near-field beam profiles （2D and 3D） of the 556 nm passively Q-switched yellowgreen laser

式中，PMAX、PMIN和PAM分別為被動調(diào)Q的556 nm 黃綠激光的最大、最小和算術(shù)平均功率。NB-RMS、NT-RMS和NI-RMS分別為背景噪聲、總噪聲和絕對強(qiáng)度的均方根（RMS）值。

4 結(jié)論

采用LPE 法和旋涂法相結(jié)合的工藝制備出非飽和損耗為12%、飽和光強(qiáng)為2.12 MW/cm2、調(diào)制深度為6.35%的Ti3C2Tx-PVA 薄膜，基于808 nm LD 端面泵浦Nd∶YAG 陶瓷、Ti3C2Tx-PVA 薄膜被動調(diào)Q、“BP+BC”選頻濾波和I 類角度相位匹配LBO 晶體腔內(nèi)倍頻方案，獲得了高穩(wěn)定性、低噪聲的556 nm 被動調(diào)Q脈沖黃綠激光輸出。在5.1 W LD 最高泵浦功率下，測得556 nm 被動調(diào)Q脈沖黃綠激光的最大平均輸出功率、最高重復(fù)頻率及最窄脈沖寬度分別為86.2 mW、745.8 kHz 和46 ns，對應(yīng)的功率不穩(wěn)定度和激光噪聲僅為±0.39%和0.37%，光束質(zhì)量評價因子為= 1.837 和= 1.975。實(shí)驗結(jié)果表明，采用Ti3C2Tx-PVA 薄膜被動調(diào)Q結(jié)合“BP+BC”協(xié)同選頻濾波的技術(shù)方案是一種獲取高穩(wěn)定性、低噪聲脈沖黃綠激光的有效方法，能夠為生物醫(yī)學(xué)、激光測量、污染監(jiān)測和光譜分析等領(lǐng)域提供高質(zhì)量的脈沖黃綠激光光源。