ZnS/Se激光材料中过渡金属离子掺杂原理及价态调控:面向中红外超快激光应用

Mid-far infrared laser is widely used in remote sensing, light radar, simulation, confidentiality space communication，satellite communications and health care. The emission wavelength of transition metal ions doped ZnS/Se materials covers the whole mid-infrared band. Materials such as ZnS and ZnSe has wide absorption and emission bandwidth and larger absorption cross-section, low phonon energy, weak electricity-phonon coupling effect, which reduces the opportunity of no radiation transition from excited states to the ground state. Nonlinear optics is the main method to realize mid-far infrared laser currently. But as we know nonlinear optics system is very complex, so the research to get mid-far infrared laser using direct pump is focused by scientists. In this project we are trying to prepare high quality transition metal ions doped ZnS/Se using hot pressing sintering, thermal diffusion and vacuum annealing process. Study the valence state of transition metal ions in ZnS/Se lattice structure and realize the transition metal ion's valence state regulation using different annealing method. Study the light emitting mechanism of transition metal ions and realize fs mid-far infrared laser in order to develop new mid-far infrared laser materials.

中红外超快激光在遥感、光雷达、仿真、保密空间通信、卫星通信和医疗等方面有着重要的应用。过渡金属离子掺杂的ZnS/Se晶态材料发射波长涵盖整个中红外波段，具有宽吸收发射带宽，低声子能量，弱电-声耦合作用和低无辐射跃迁，有望突破目前钛宝石超快激光和中红外激光需要倍频（SHG）、光学参量放大（OPA）等非线性方法而造成器件繁杂的"瓶颈"，实现LD直接泵浦的超快中红外激光输出。本项目拟利用我们最近发展的过渡金属硒化物原料直接热压进入ZnS/Se晶格、热扩散气氛退火工艺制备高质量过渡金属激活离子掺杂的ZnS/Se中红外激光陶瓷。研究过渡金属激活离子在ZnS/Se晶格结构中的扩散掺杂动力学，并实现过渡金属激活离子的价态和配位结构操控。同时研究过渡金属激活离子 掺杂在ZnS/Se材料中的光谱和激光特性，实现中红外飞秒激光输出，为发展优异的中远红外超快激光材料奠定基础。

中红外超快激光在遥感、光雷达、仿真、保密空间通信、卫星通信和医疗等方面有着重要的应用。过渡金属离子掺杂的ZnS/Se 晶态材料发射波长涵盖整个中红外波段， 具有宽吸收发射带宽，低声子能量，弱电-声耦合作用和低无辐射跃迁，有望突破目前钛宝石超快激光和中红外激光需要倍频（SHG）、光学参量放大（OPA）等非线性方法而造成器件繁杂的“瓶颈”，实现LD 直接泵浦的超快中红外激光输出。.通过本项目研究,我们分析了中红外固态激光器的发展趋势，系统总结了相关研究进展和发展方向，主要包括高功率、高效率、激光二极管直泵的过渡金属离子掺杂II-VI族材料激光器和稀土离子掺杂晶体、玻璃、光纤、陶瓷等材料的固态激光器，这些激光器的输出涵盖了2-5μm波段，具有结构简单、成本低等优点。其中过渡金属离子掺杂II-VI族化合物，如Cr:ZnSe/ZnS，具有吸收和发射截面大、室温量子效率高、激发态吸收小等优点；而稀土离子掺杂材料，如Er3+/Tm3+/Ho3+:玻璃，具有能级丰富，可多波长泵浦获得多波长发光等优点。通过对稀土离子在不同基质材料中晶格场结构能级调控有望实现波长可控的中红外激光输出。.采用典型热扩散法制备Cr:ZnS/ZnSe，即先在CVD+HIP生长的多晶ZnS/ZnSe表面沉积Cr金属膜，之后在真空密封氩气保护石英管中高温热扩散，制备高光学质量的Cr:ZnS/ZnSe激光陶瓷，并研究其基本的光谱特性。实验中发现样品存在Cr三价离子的特征吸收峰，铬离子价态的变化会造成有效离子掺杂浓度的降低，导致后期激光功率严重下降。另外，扩散过程中Cr离子掺杂浓度梯度分布也是材料制备工艺的一大难点。我们在不同温度和不同保温时间条件下进行一维方向的热扩散，建立扩散模型，结合菲克第二定律，计算其扩散机理参数。.成功采用热扩散制备的Cr:ZnSe激光陶瓷，在室温下分别使用Tm2+:YLF/YAP固体激光泵浦和Tm:silica光纤激光泵浦，实现连续激光输出。另外，又采用钛宝石飞秒激光螺旋形直写在Cr:ZnS材料内部写入通道光波导结构，并实现中红外波导激光输出。