Прогресс в исследованиях лазерных кристаллов среднего инфракрасного диапазона — часть 05

1. 3 2 ~ 3 мкм лазерные кристаллы, легированные Cr ²⁺

Среднеинфракрасная люминесценция ионов переходных металлов (Ni ²⁺, Ко²⁺, Кр²⁺, Fe²⁺и т. д.) основан на 3d→3д переходы. В соответствии с различными типами позиций, занимаемых ионами переходных металлов в материале-хозяине, их можно разделить на две категории: занимающие октаэдрические позиции с инверсионной симметрией (такие как: Ni²⁺, Со2 ⁺легированные галогениды); Симметричные тетраэдрические сайты (такие как: Ni ²⁺, Ко²⁺, Кр2 ⁺, Fe²⁺легированные соединения II-VI). Среди них ионы переходных металлов, занимающие октаэдрическую позицию, из-за влияния симметрии инверсии позиций электрический дипольный переход частично запрещен, поэтому он демонстрирует меньшую силу осциллятора и более длительный срок службы, а также серьезное поглощение в возбужденном состоянии, как правило, необходимо работать при низкой температуре. Однако ионы переходных металлов, занимающие тетраэдрические позиции, обладают высокой силой осциллятора и коротким временем жизни, поскольку позиции не обладают инверсионной симметрией. В то же время из-за относительно слабой напряженности кристаллического поля тетраэдрической позиции расщепление энергетических уровней ионов переходных металлов в этой позиции относительно невелико, поэтому можно получить более длинноволновую люминесценцию в среднем инфракрасном диапазоне. Кроме того, фононная энергия полупроводниковых материалов AIIBVI крайне мала (например, фононная энергия ZnSe составляет 250 см ^-1) .), что значительно снижает вероятность безызлучательного перехода и улучшает квантовую эффективность флуоресценции. Подобно титановому сапфиру, он обычно имеет очень большое поперечное сечение излучения.п_в  (10 ^-18 см ²). Благодаря указанным выше уникальным преимуществам полупроводниковые материалы AIIBVI, легированные ионами переходных металлов, особенно бинарные (ZnSe, ZnS, CdSe, CdS, ZnTe) и тройные (CdMnTe, CdZnTe, ZnSSe), легированные Cr²⁺или Fe ²⁺сКристаллы халькогенидов в настоящее время являются предметом исследований лазерных материалов среднего инфракрасного диапазона, легированных ионами переходных металлов. Кр²⁺-легированные лазерные кристаллы в 2~3мДиапазон m обычно накачивается волокном Tm или резонансным твердотельным лазером. В 2015 году Миров использовал волоконный лазер Tm для резонансной накачки кристаллов Cr: ZnSe, чтобы получить непрерывную мощность лазера 30 Вт и КПД 50%.

Спин-орбитальная связь и эффект Яна-Теллера дополнительно способствуют расщеплению энергетических уровней в сочетании с сильной электрон-фононной связью, которая значительно расширяет спектральную ширину Cr ²⁺ . и Fe ²⁺ , и увеличивает стоксов сдвиг между спектром поглощения и спектром излучения.  Именно из-за вышеуказанных факторов Cr ²⁺ , Fe ²⁺ Легированные кристаллы групп II-VI и керамика становятся превосходными перестраиваемыми и сверхбыстрыми лазерными материалами среднего инфракрасного диапазона с длиной волны 2–5 мкм . В 2015 году Миров добился сверхбыстрого лазерного излучения Cr: ZnSe с синхронизацией мод с пиковой длиной волны 2–3 мкм , пиковой выходной мощностью 1 ГВт и шириной импульса менее 44 фс.

Главный тренд в будущем: аналог титанового сапфира, Cr ²⁺ легированные лазерные кристаллы в диапазоне 2~3 мкм обычно имеют очень большое сечение излучения σ _em (10 ^-18 см ² ), но жизнь верхнего энергетического уровня короткая (fs), что не способствует накоплению энергии. Ее основным направлением является разработка сверхкоротких и сверхмощных лазеров с более высокой пиковой мощностью.