Mo?Ti?AlC 作为一种可饱和吸收体，用于被动调Q的Tm:YAG激光器

《Optical Materials》：Mo 2Ti 2AlC 3 as a Saturable Absorber for a Passively Q-Switched Tm:YAG Laser

本研究采用液相剥离法制备Mo?Ti?AlC?材料，作为被动Q开关激光器的饱和吸收体。在Tm:YAG激光器中实现了455 mW平均功率输出，脉冲宽度457.07 ns，重复频率106.87 kHz，M2因子分别为1.08和1.09。该材料展现出优异的非线性光学特性，为2 μm波段激光器调制器开发提供新方案。

　　2 μm激光因其在自由空间通信、遥感以及环境光谱分析等领域的广泛应用而受到科学界的广泛关注。这些激光波长位于人眼安全范围内，且在水分子和人体组织液的吸收波段具有显著的吸收特性，使其成为高能激光源的重要选择。此外，2 μm激光在透明塑料的高效加工、相干多普勒激光雷达的检测源以及光学参量振荡器和放大器的泵浦源方面也展现出巨大的潜力。由于其多用途和广泛的适用性，2 μm激光在多个研究领域中受到高度重视。在实现2 μm激光脉冲的过程中，被动Q开关技术因其结构简单、成本低廉以及易于实现的特性而成为研究热点。

被动Q开关技术依赖于饱和吸收体的使用，而近年来，二维材料因其宽波段饱和吸收、大的非线性折射率以及快速的饱和恢复能力而被广泛研究和应用。其中，石墨烯作为最早被发现可用于制备饱和吸收体的二维材料，于2009年由Bao等人首次报道。尽管石墨烯具有较高的激光损伤阈值和超快的恢复时间，但其调制深度相对较低，这限制了其在某些高精度激光应用中的表现。随后，许多其他二维材料被发现并应用于饱和吸收体的制备，如黑磷（BP）、过渡金属二硫化物（TMDs）以及拓扑绝缘体（TIs）。然而，这些材料在制备过程中也存在一定的缺陷和限制，例如黑磷容易被氧化，而过渡金属二硫化物的制备方法较为复杂，光学损伤阈值较低，拓扑绝缘体的制备同样面临技术挑战。

近年来，MAX相材料因其结合了金属和陶瓷的优异特性而受到关注。MAX相材料的命名来源于其组成结构，其中“M”代表过渡金属，“A”代表IIIA、IVA、VA或VIA族元素，而“X”则代表碳或氮，或两者的组合。这些材料具有优异的非线性饱和特性、高热导率和高电导率，同时还具备良好的抗氧化能力和高温稳定性。此外，MAX相材料在机械性能方面表现出良好的可加工性和抗损伤能力，这使其在多种激光系统中具有应用前景。例如，许多MAX相材料已被成功用于光纤激光器的饱和吸收体制备，其中Ti?AlC是最早被用于制备饱和吸收体的MAX相材料。随后，Ta?AlC、Ti?SiC?、TiNbAlC、Mo?Ti?AlC?以及Ti?NbAlC?等材料也相继被用于饱和吸收体的制备。

尽管MAX相材料在光纤激光器中表现出良好的性能，但在固体状态激光器中的应用仍较为有限。最近，2024年的一项研究成功地将基于Mo?TiAlC?的饱和吸收体用于被动Q开关Tm:YAP激光器的调制，实现了平均输出功率为292 mW、脉冲重复频率为47.07 kHz、脉冲宽度为242.9 ns的激光输出，波长为1931.2 nm，当泵浦功率为4.59 W时。这一成果表明，MAX相材料在固体状态激光器中的应用正在逐步拓展。同时，Mo?Ti?AlC?作为一种MAX相材料，不仅具有独特的多孔结构、较大的比表面积以及良好的热电和机械性能，还具备较低的成本优势。因此，它被广泛应用于1.5 μm被动Q开关掺铒光纤激光器（EDFL）以及锁模EDFL系统中。

在锁模EDFL系统中，Mo?Ti?AlC?材料作为饱和吸收体被用于激光腔体，实现了最小脉冲持续时间为1.2 ps，最大脉冲重复频率为1.8 MHz的激光输出。此外，通过机械剥离法制备的Mo?Ti?AlC?基饱和吸收体在耦合比为20%时，获得了脉冲宽度为1.91 μs、脉冲重复频率为77.64 kHz的Q开关EDFL输出，脉冲能量为89.52 nJ；而在耦合比为50%时，获得了脉冲宽度为2.97 μs、脉冲重复频率为90.09 kHz的Q开关EDFL输出，脉冲能量为69.60 nJ。这些实验结果表明，Mo?Ti?AlC?在激光调制方面具有良好的性能。

然而，目前Mo?Ti?AlC?材料尚未被用于2 μm固体状态激光器的调制装置。因此，本实验选择液相剥离法来制备Mo?Ti?AlC?基饱和吸收体，并将其应用于被动Q开关Tm:YAG激光系统中，以测试其激光输出性能。实验结果表明，在被动Q开关模式下，当使用透射率为5%的输出耦合器（OC）时，Tm:YAG激光器在短激光谐振腔中实现了平均输出功率为445 mW、脉冲宽度为457.07 ns的激光输出，波长为2013.6 nm，对应的脉冲重复频率为106.87 kHz，峰值功率为9.11 W，单脉冲能量为4.16 mJ。此外，激光束的质量（M2）因子也被测量，结果显示在x方向为1.08，在y方向为1.09。这些结果表明，Mo?Ti?AlC?材料在2 μm波段具有优异的非线性光学性能，具有作为调制器的潜力。

在实验装置方面，本实验构建了一个用于2 μm被动Q开关Tm:YAG激光器的实验配置。激光二极管（LD）在792 nm波长下运行，作为Tm:YAG激光器的泵浦源。LD的输出功率通过一根核心直径为105 μm、数值孔径为0.22的光纤进行耦合。两个平凸镜（L1和L2）分别作为准直镜和聚焦镜，其焦距均为25 mm。此外，实验还涉及对材料的制备和表征，包括机械剥离、化学气相沉积和超声液相剥离等方法。在本研究中，采用超声液相剥离法获得少量层的Mo?Ti?AlC?材料。首先，取出10 mg的Mo?Ti?AlC?二维材料并将其放入一个干净的容器中，随后通过超声波处理和液相剥离技术制备出具有高光学性能的饱和吸收体。

为了进一步验证Mo?Ti?AlC?材料的性能，实验还测试了Tm:YAG激光器在连续波（CW）和被动Q开关模式下的输出功率。使用不同透射率的输出耦合器（T=2%和T=5%）进行实验，其中透射率为2%的输出耦合器对应的泵浦阈值为0.743 W，而透射率为5%的输出耦合器对应的泵浦阈值为1.09 W。这是因为当输出镜的透射率较低时，更多的激光能量被限制在腔体内，从而需要更高的泵浦功率才能实现激光输出。这些实验数据表明，Mo?Ti?AlC?材料在激光调制方面具有良好的性能，且其在2 μm波段的应用前景广阔。

综上所述，本研究通过液相剥离法成功制备了Mo?Ti?AlC?基饱和吸收体，并将其应用于被动Q开关Tm:YAG激光系统中，实现了稳定的激光输出。实验结果表明，Mo?Ti?AlC?材料在2 μm波段具有优异的非线性光学性能，其饱和强度达到21.6 MW/cm2，调制深度为8.44%。这些性能使其在2 μm激光调制领域展现出巨大的应用潜力。此外，实验还验证了该材料在不同透射率下的激光输出性能，表明其在多种激光系统中具有广泛的应用前景。通过本研究，我们不仅获得了关于Mo?Ti?AlC?材料的详细性能数据，还为未来在2 μm激光技术中的应用提供了重要的参考。