基于Ti3C2Tx-PVA 被动调Q 的低噪声556 nm腔内倍频黄绿光激光器

徐知微，闫佳乐，王国珍，李奔，陆宝乐，白杨

（1 西北大学 光子学与光子技术研究所， 西安 710127） （2 省部共建西部能源光子技术国家重点实验室， 西安 710127） （3 陕西省全固态激光及应用工程技术研究中心， 西安 710127）

0 引言

在全固态激光技术领域，由激光增益介质Nd∶YAG 晶体或Nd∶YAG 陶瓷的上能级4F3/2与下能级3I11/2之间受激辐射可产生1 112 nm 的荧光谱线［1］。借助非线性频率转换技术（二次谐波产生），可以将激光谐振腔内振荡的1 112 nm 的基频光转换成556 nm 的黄绿激光［2，3］。低噪声的556 nm 黄绿激光器在工业、大气遥感、通信、信息存储、食品和药品检测等领域具有广泛的应用。特别是在生物医疗领域，低噪声的556 nm 黄绿激光可以作为共焦腔显微镜、流式细胞术、生物成像系统、激发荧光素藻红蛋白等生物医学应用的理想光源［4-6］。

获得低噪声的556 nm 倍频黄绿激光关键在于在谐振腔内产生1 112 nm 基频光振荡的同时，抑制由Nd∶YAG 晶体或Nd∶YAG 陶瓷受激辐射产生的1 064、1 319、946、1 116、1 123 nm 等其它光谱线。通过在谐振腔腔镜上镀制增透膜，可以有效抑制1 064、1 319、946 nm 光谱线的腔内振荡。然而，1 112、1 116、1 123 nm 三条谱线之间波长相差极小且彼此的受激发射截面近似，难以仅通过镀增透膜抑制1 116 nm 和1 123 nm 两条光谱线。因此，若无主动干预，1 112、1 116、1 123 nm 三条光谱将同时形成腔内振荡，导致556 nm 倍频黄绿激光的噪声大幅增加。为了抑制1 116 nm 和1 123 nm 两条光谱，通常采用法布里-珀罗（Fabry-Perot， F-P）标准具或以布儒斯特角放置的双折射晶体（Birefringent Crystal， BC）。然而，F-P 标准具的高插入损耗会大幅提高1 112 nm 基频光的振荡阈值，导致556 nm 黄绿激光的倍频效率和输出功率低，甚至可能造成1 112 nm 基频光无法形成振荡。而使用BC 时，通常需要同时精确调节BC 的布鲁斯特角、BC表面与谐振腔光轴之间的夹角以及倍频晶体的相位匹配角。这种复杂的多维角度调节往往给获取低噪声的556 nm 黄绿激光输出带来极大的难度。在前期研究中，课题组在谐振腔中插入由布儒斯特偏振器（BP）和BC 共同组成的双折射滤波器（BF），分别在556.31、558.35、561.62 nm 三个波长上获得了波长可调、连续输出功率均超过600 mW、高稳定性、低噪声的黄绿激光输出［2］。然而，相较于连续输出，脉冲输出的黄绿激光具有热作用时间短，峰值功率高，对周围生物组织影响小的特点。因此，高稳定性、低噪声的脉冲黄绿激光将具有更为广阔的应用前景。

调Q是产生脉冲激光最有效的方法之一，其中采用被动调Q方式的脉冲激光器具有无需调Q驱动器、结构紧凑、成本低廉、使用简单等优点。近年来，碳化钛（Ti3C2Tx）凭借其能带结构可控、非线性光学响应范围宽、非线性吸收系数大、损伤阈值高等特点，在被动调Q激光研究领域受到广泛关注［7］。然而，目前将Ti3C2Tx作为可饱和吸收体（SA）的报道主要集中在1.06、1.3、2.73、3 μm 激光波长［8-11］，尚未见有关基于Ti3C2Tx被动调Q的556 nm 黄绿激光的报道。

本文采用808 nm 半导体激光二极管（LD）端面泵浦Nd∶YAG 陶瓷直线型谐振腔结构，利用Ti3C2Tx-聚乙烯醇（PVA）薄膜作为SA、BP 和BC 协同实施对1 112 nm 和1 116 nm 光谱抑制以及压缩1 123 nm 光谱的纵模个数以及I 类角度相位匹配LBO 晶体腔内倍频，获得了低噪声的556 nm 被动调Q脉冲黄绿激光输出。在5.1 W 最大LD 泵浦功率下，556 nm 黄绿激光的输出功率超过86 mW，重复频率达到745.8 kHz，脉冲宽度为46 ns，4 h 内功率不稳定度和激光噪声分别仅为±0.39%和0.37%。

1 Ti3C2Tx-PVA 可饱和吸收体的制备和表征

Ti3C2Tx-PVA 可饱和吸收体的制备采用液相剥离法（LPE）和旋涂法相结合的工艺，其过程如图1。首先，将纯度为99.99%的25 mg Ti3C2Tx粉末溶解在由75 mL 去离子水和75 mL 无水乙醇构成的混合溶液中，并对混合溶液进行30 min 超声处理以减少Ti3C2Tx粉末的层数。然后，将超声处理后的混合溶液以5 000 r/min 的速率离心10 min，提取上清液。由图2 展示的1 064 nm 激光激发的148 cm-1，202 cm-1，403 cm-1和620 cm-1拉曼特征峰可以确认上清液中存在Ti3C2Tx纳米片［12］。如图3，原子力显微镜（AFM）测得上清液中Ti3C2Tx纳米片厚度约为3.2 nm。根据Ti3C2Tx的层间距大约为0.99 nm［13］，可以推测制备的Ti3C2Tx纳米片的层数约为3 至4 层。最后，将250 mg 聚乙烯醇（PVA）粉末溶入25 mL 的去离子水中。在90 °C 恒温下磁力搅拌1 h 后，将PVA 溶液与含有Ti3C2Tx纳米片的上清液按照1∶1 体积比混合。在超声处理1 h 后，利用旋涂机将Ti3C2Tx-PVA 混合溶液涂覆在厚度为0.2 mm 的蓝宝石玻璃片（SG）上，并在80 °C 恒温下烘干24 h，从而制备出Ti3C2Tx-PVA 薄膜。使用厚度测量仪测得Ti3C2Tx-PVA 薄膜的厚度为14.5 μm。采用基于脉宽为14 ps、重复频率为28.8 MHz 的1 064 nm 锁模光纤激光器（波长接近1 112 nm）的平衡双探测器系统测定了Ti3C2Tx-PVA 薄膜的透射率与照射强度之间的关系，结果如图4。Ti3C2Tx-PVA 薄膜的透过率随激光强度增加而增加后趋于饱和状态，表明该薄膜具有良好的可饱和吸收特性。通过对非线性光学透过率拟合得到该薄膜的非饱和损耗为12%，饱和光强达到2.12 MW/cm2，调制深度为6.35%。结果表明，所制备的Ti3C2Tx-PVA 薄膜具有较大的调制深度，验证了Ti3C2Tx-PVA 薄膜作为SA 用于获取1 112 nm 脉冲基频光的适用性。此外，为了改善Ti3C2Tx-PVA 薄膜的导热性并确保其长期工作的可靠性，在蓝宝石玻璃的两通光面粘附两片导热紫铜片，其中导热紫铜片上粘附一片方形铜质散热器。利用脉冲重复频率为10 Hz、脉冲宽度为20 ns、光斑直径约为1 mm 的1 064 nm 脉冲激光测量了被铜质散热器夹持的Ti3C2Tx-PVA 薄膜的激光损伤阈值。激光照射能量从零开始，逐渐增加至薄膜损坏。实验测得该薄膜的激光损伤阈值即能够承受的激光功率密度达到 7.91 MW/cm2。

图1 Ti3C2Tx-PVA 薄膜可饱和吸收体制备流程Fig. 1 The preparation process of the Ti3C2Tx-PVA film

图2 Ti3C2Tx纳米片的拉曼光谱Fig. 2 Raman spectra of the Ti3C2Tx nanosheets

图3 Ti3C2Tx纳米片的原子力显微镜图像Fig. 3 AFM of the Ti3C2Tx nanosheets

图4 Ti3C2Tx-PVA 薄膜的非线性光学特性Fig.4 The nonlinear optical property from the Ti3C2Tx-PVA film

2 实验装置

基于Ti3C2Tx-PVA 薄膜可饱和吸收体被动调Q的脉冲黄绿光激光器谐振腔结构示意及实物如图5。最大泵浦功率为5.1 W 的808 nm LD 泵浦模块由单独的一块半导体制冷片（TEC）实施25 ℃恒温冷却。由两个对称放置的平凸透镜组成的扩束准直透镜组（BSCLS）以3.5 mm 的焦距将808 nm LD 泵浦光束聚焦在Nd∶YAG 陶瓷的泵浦面后侧，焦斑半径约为250 μm。谐振腔由Nd∶YAG 陶瓷的泵浦面和平凹输出耦合镜（OC）组成。各个光学元件通光面镀制的增透膜或高反膜均为了抑制1 064 nm、1 319 nm 和946 nm 三条主要谱线的腔内振荡，并确保实现1 112 nm 双通倍频、556 nm 黄绿激光单向输出，镀膜情况如表1。Nd∶YAG陶瓷（尺寸2 mm×2 mm×6 mm，Nd3+掺杂浓度0.5 at.%）和I 类角度匹配的LBO 倍频（尺寸2 mm×2 mm ×12 mm，切割角θ=90°，φ=8.2°@1 112 nm）晶体分别用铟箔包裹后固定在铜制冷却块中，由另一块TEC 实施20 ℃的恒温冷却。熔融石英玻璃材质BP 的厚度为0.5 mm，石英晶体材质BC 的厚度为2.5 mm，两者的通光面尺寸均为6 mm×6 mm。LD 模块和Nd∶YAG 陶瓷均固定在铝制热沉上，其它光学元件均由一个三维弧摆台连接并实施精确的三维距离、水平角和俯仰角调节。

表1 谐振腔内光学元件通光面镀膜情况 （R： 反射率）Table 1 Coating on the surfaces of the optical element in the cavity （R： reflectivity）

图5 556 nm 被动调Q 黄绿光激光器装置Fig.5 Setup of the passively Q-switched yellow-green laser at 556 nm

当LD 泵浦功率从1 W 增加到5 W 时，采用热透镜焦距动态测试法［14］测得Nd∶YAG 陶瓷的热焦距从～900 mm 减少到～500 mm。基于热透镜焦距变化、ABCD 矩阵理论和激光谐振腔设计软件（LASCAD）对被动调Q的556 nm 脉冲黄绿光激光谐振腔的结构进行优化设计后，确定OC 的腔内凹面的曲率半径为600 mm，谐振腔腔长为49.0 mm。从Nd∶YAG 陶瓷输出端面至OC 的腔内凹面，相邻两个光学元件之间的距离分别为3.2 mm、3.1 mm、10.0 mm、8.0 mm 和4.5 mm。

根据菲涅尔定律，经过BP 的非偏振光将被分为p-偏振光和s-偏振光。两种偏振光在BP 表面的反射率可表示为［15］

式中，Rp和Rs分别为p-偏振光和s-偏振光在BP 表面的反射率，α和β分别为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 处的折射率（ni）分别为1.444、1.435 和1.424。假设空气折射率近似为1，根据布儒斯特定律和折射定律，布儒斯特角Φi、ni、α和β之间的关系可表示为

式中，i依次表示1 112 nm、1 116 nm 和1 123 nm 波长，相应的Φi可分别通过式（3）和（4）计算得出，分别为55.31°、55.12°和54.92°。

如图6（a），当α=Φ1112=55.31°时，只有1 112 nm 处p-偏振光的Rp为零。结果是1 112 nm 处p-偏振光在BP 面上的反射损耗最低，而1 116 nm 和1 123 nm 处p-偏振光的单次往返反射率分别0.82%和0.37%。在谐振腔内经多次往返振荡后，1 112 nm 处p-偏振光因最低的反射损耗而形成腔内振荡，而1 116 nm 和1 123 nm 处p-偏振光则因累积的反射损耗过大而被抑制。

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

同时，在谐振腔内引入BC，其透射面垂直于腔内振荡的1 112 nm 处p-偏振光。BC 固有的双折射效应将1 112 nm 处p 偏振光分解为寻常光（o 光）和非寻常光（e 光）。经过BC 的单程后，o 光和e 光之间将产生相位延迟Δψ［16］，表示为

式中，D=2.5 mm 表示BC 的厚度，λ=1 112 nm；no和ne分别为1 112 nm 波长处o 光和e 光的折射率。

绕谐振腔光轴旋转BC，当1 112 nm 处p-偏振光与BC 光轴之间的角度为45°时，1 112 nm 处p-偏振光在单次往返BC 后发生180°旋转，对应于Δψ为2π 的倍数，即

式中，m=0， ±1， ±2， ±3，……。

由于p-偏振方向未改变，只有1 112 nm 处m=0， ±1， ±2， ±3，……的纵模能够在腔内实现零反射的低损耗振荡，而其余纵模将因反射率不为零被抑制。需要强调的是，p-偏振和s-偏振光单次往返通过 BC后的透过率Tp和Ts分别为［17］

在1 112 nm、1 116 nm 和 1 123 nm 处o 光和e 光在石英晶体中的折射率分别为如图6（b），当1 112 nm 处p-偏振光满足 Δψ=mπ（m为零或偶数）时，Tp=100%。根据式（6）和（7），可以得到1 116 nm 和 1 123 nm处p-偏振光相对于1 112 nm 处p-偏振光将分别产生1.39 rad 和6.59 rad 的附加相位延迟Δψ*，对应的透射率均为～79.79%，即BC 对1 116 nm 和1 123 nm 处p-偏振光均产生～20.21%的单次往返反射损耗。当m为奇数时，由BC 导致的～40%高反射率均对1 112 nm、1 116 nm 和1 123 nm 处的三条谱线产生腔内振荡抑制。

3 结果与分析

BP 和BC 都具有抑制1 112 nm 和1 116 nm 腔内振荡的能力，而“BP+BC”的协同使用进一步增强了谐振腔对1 112 nm 和1 116 nm 的抑制能力，在确保只有1 112 nm 光谱线在腔内振荡和放大的同时，减少了1 112 nm 纵模数量。结合Ti3C2Tx-PVA 薄膜被动调Q和LBO 晶体腔内倍频，从而实现了556 nm 黄绿激光的滤波和降噪。此外，LBO 晶体与BP、BC 的精确配位进一步抑制了谐振腔内由增益交叉饱和与和频效应引起的纵模耦合，可有效提高556 nm 被动调Q黄绿激光输出的功率稳定性并降低其噪声。如图7 所示，倍频黄绿激光的中心波长为556.07 nm，线宽为0.41 nm。随着LD 泵浦功率从阈值2.53 W 增加到5.1 W，最高平均功率达到了86.2 mW，脉冲重复频率从500.1 kHz 增加至745.8 kHz，而脉冲宽度从90 ns 减少至46 ns。由于受到受激发射截面仅为1 064 nm 波长1/12 的限制，1 112 nm 受激辐射获得的增益较低［2］，加之“BP+BC”选频滤波、Ti3C2Tx-PVA 可饱和吸收及LBO 腔内倍频引入了部分插入损耗，导致腔内倍频556 nm 被动调Q黄绿激光的光光转换效率和斜率效率较低，分别仅为1.69%和3.35%。根据被动调Q脉冲形成机理，随着LD 泵浦功率的升高，腔内1 112 nm 基频光功率密度增大，Ti3C2Tx-PVA 薄膜作为SA 能够在更短的时间内被“漂白”，1 112 nm 脉冲形成的周期更短，从而使得1 112 nm 基频光的脉冲重复频率更高，经1 112 nm腔内倍频获得的556 nm 倍频光的单脉冲能量在随LD 泵浦功率快速增大后趋于稳定。Ti3C2Tx-PVA 薄膜除具备SA 功能外，因其可饱和吸收所引发的腔内损耗提高了1 112 nm 激光腔内振荡阈值，远离其中心波长的纵模由于获得的增益小于振荡阈值而被抑制，只有靠近中心波长的部分纵模能够获得较大增益而形成激光振荡，故Ti3C2Tx-PVA 薄膜也具备了滤波功能。同时，“BP+BC”的选频滤波作用有效抑制了1 116 nm 和1 123 nm 处谱线振荡并减少了1 112 nm 处p-偏振光的纵模个数，腔内振荡的1 112 nm 处p-偏振光功率密度显著增加，促使Ti3C2Tx-PVA 薄膜能够进一步在更短的周期和更高的频率下达到吸收饱和，从而获得更高的重复频率和更短的脉冲宽度［18］。在最大LD 泵浦功率下，Ti3C2Tx-PVA 薄膜作为SA 未呈现出“透明”特征。基于7.91 MW/cm2的Ti3C2Tx-PVA 薄膜激光损伤阈值表明，若进一步提高LD 泵浦功率，有望实现脉冲宽度更窄、重复频率更高、平均功率更大的556 nm 被动调Q黄绿激光输出。

图7 556 nm 被动调Q 黄绿激光的输出特性Fig. 7 Output characteristics of the passively Q-switched yellow-green laser at 556 nm

使用556 nm 处透过率和反射率分别约为90%和10%的分束镜、功率计、示波器和PIN 型硅光电二极管（PIN 管），同时测量了556 nm 被动调Q黄绿激光的功率稳定性和噪声，测量时长为4 h，测量间隔为2 s。功率计用于测量556 nm 透射激光束的功率不稳定性，测试结果如图8（a）。连接示波器的PIN 管测量556 nm反射激光束的噪声。PIN 管产生的电信号被分成两部分，如图8（b）。当用光闸阻断反射激光束，进入示波器1#通道（交流耦合模式）的电信号表示背景噪声（NB-RMS区域，蓝色曲线）。当移除光闸后，进入示波器1#通道的电信号表示包含了激光噪声和背景噪声的总噪声（NT-RMS区域，蓝色曲线），而进入示波器2#通道（直流耦合模式）的电信号则表示激光的绝对强度（NI-RMS区域，红色曲线）。根据式（10）和（11）［19］计算的556 nm 黄绿激光的功率不稳定度Δξ和噪声ΔNL-RMS仅为±0.39%和0.37%。结果表明，“BP+BC”协同Ti3C2Tx-PVA薄膜的选频滤波有效降低了556 nm 被动调Q脉冲黄绿激光的噪声，4 h 的持续测量也验证了制备的Ti3C2Tx-PVA 薄膜作为SA 在实施热管理措施后表现出良好的可靠性。此外，在最大输出功率时利用激光束质量分析仪测得的556 nm 被动调Q黄绿激光的光束质量评价因子为和。测量数据及近场光束光斑的2D 和3D 图像如图9。

图8 在4 h 内被动调Q 的556 nm 黄绿激光输出稳定性测试Fig. 8 Stability of the 556 nm passively Q-switched yellow-green laser at maximum average output power in a 4 h

图9 556 nm 被动调Q 黄绿激光的光束质量测试数据及2D、3D 近场光束光斑轮廓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分别为被动调Q的556 nm 黄绿激光的最大、最小和算术平均功率。NB-RMS、NT-RMS和NI-RMS分别为背景噪声、总噪声和绝对强度的均方根（RMS）值。

4 结论

采用LPE 法和旋涂法相结合的工艺制备出非饱和损耗为12%、饱和光强为2.12 MW/cm2、调制深度为6.35%的Ti3C2Tx-PVA 薄膜，基于808 nm LD 端面泵浦Nd∶YAG 陶瓷、Ti3C2Tx-PVA 薄膜被动调Q、“BP+BC”选频滤波和I 类角度相位匹配LBO 晶体腔内倍频方案，获得了高稳定性、低噪声的556 nm 被动调Q脉冲黄绿激光输出。在5.1 W LD 最高泵浦功率下，测得556 nm 被动调Q脉冲黄绿激光的最大平均输出功率、最高重复频率及最窄脉冲宽度分别为86.2 mW、745.8 kHz 和46 ns，对应的功率不稳定度和激光噪声仅为±0.39%和0.37%，光束质量评价因子为= 1.837 和= 1.975。实验结果表明，采用Ti3C2Tx-PVA 薄膜被动调Q结合“BP+BC”协同选频滤波的技术方案是一种获取高稳定性、低噪声脉冲黄绿激光的有效方法，能够为生物医学、激光测量、污染监测和光谱分析等领域提供高质量的脉冲黄绿激光光源。