Forschungsfortschritt von Laserkristallen im mittleren Infrarot - Teil 05

1. 3 2 ~ 3 μm Laserkristalle, dotiert mit Cr ²⁺

Die Lumineszenz von Übergangsmetallionen im mittleren Infrarot (Ni ²⁺, Co²⁺, Cr²⁺, Fe²⁺, usw.) basiert auf 3d→3D-Übergänge. Entsprechend den unterschiedlichen Arten von Plätzen, die von Übergangsmetallionen im Wirtsmaterial besetzt sind, können sie in zwei Kategorien eingeteilt werden: Besetzung oktaedrischer Plätze mit Inversionssymmetrie (wie: Ni²⁺, Co2 ⁺dotierte Halogenide); Symmetrische Tetraederstellen (wie: Ni ²⁺, Co²⁺, Cr2 ⁺, Fe²⁺dotierte II-VI-Verbindungen). Unter ihnen sind die Übergangsmetallionen, die die oktaedrische Stelle besetzen, aufgrund des Einflusses der Ortsinversionssymmetrie, der elektrische Dipolübergang teilweise verboten, daher zeigen sie eine geringere Oszillatorstärke und längere Lebensdauer und eine ernsthafte Absorption des angeregten Zustands, die im Allgemeinen funktionieren müssen bei niedriger Temperatur. Übergangsmetallionen, die tetraedrische Stellen besetzen, haben jedoch eine hohe Oszillatorstärke und kurze Lebensdauern, da die Stellen keine Inversionssymmetrie aufweisen. Gleichzeitig ist aufgrund der relativ schwachen Kristallfeldstärke der tetraedrischen Stelle die Aufspaltung des Energieniveaus von Übergangsmetallionen an dieser Stelle relativ gering, so dass eine längerwellige Lumineszenz im mittleren Infrarot erhalten werden kann. Darüber hinaus ist die Phononenenergie von II-VI-Halbleitermaterialien extrem niedrig (z. B. beträgt die Phononenenergie von ZnSe 250 cm ^-1), was die Wahrscheinlichkeit eines strahlungslosen Übergangs stark reduziert und die Fluoreszenzquanteneffizienz verbessert. Ähnlich wie Titansaphir hat es generell einen sehr großen AbstrahlquerschnittP_In  ( ^10-18 cm ²). Aufgrund der oben erwähnten einzigartigen Vorteile sind mit Übergangsmetallionen dotierte II-VI-Halbleitermaterialien, insbesondere binäre (ZnSe, ZnS, CdSe, CdS, ZnTe) und ternäre (CdMnTe, CdZnTe, ZnSSe) mit Cr dotiert²⁺oder Fe2 ⁺CHalcogenid-Kristalle sind derzeit der Forschungsschwerpunkt für mit Übergangsmetallionen dotierte Lasermaterialien im mittleren Infrarotbereich. Kr²⁺-dotierte Laserkristalle im 2~3Mm-Band werden im Allgemeinen durch Tm-Faser- oder Festkörperlaserresonanz gepumpt. Im Jahr 2015 verwendete Mirov einen Tm-Faserlaser, um Cr:ZnSe-Kristalle resonant zu pumpen, um eine kontinuierliche Laserleistung von 30 W und eine Steigungseffizienz von 50 % zu erzielen.

Die Spin-Bahn-Kopplung und der Jahn-Teller-Effekt fördern die Energieniveauaufspaltung weiter, gekoppelt mit der starken Elektron-Phonon-Kopplung, die die spektrale Breite von Cr ²⁺ stark verbreitert und Fe2 ⁺ , und erhöht die Stokes-Verschiebung zwischen dem Absorptionsspektrum und dem Emissionsspektrum.  Aufgrund der obigen Faktoren ist Cr ²⁺ , Fe ²⁺ dotierte Kristalle und Keramiken der Gruppen II-VI werden zu hervorragenden 2~5 μm abstimmbaren und ultraschnellen Lasermaterialien im mittleren Infrarotbereich. Im Jahr 2015 erzielte Mirov eine modengekoppelte ultraschnelle Cr:ZnSe-Laserleistung mit einer Spitzenwellenlänge von 2~3 μm , einer Spitzenausgangsleistung von 1 GW und einer Impulsbreite von weniger als 44 fs.

Der Haupttrend der Zukunft: ähnlich wie Titan Saphir, Cr ²⁺ -dotierte Laserkristalle im 2~3 μm -Band haben im Allgemeinen einen sehr großen Emissionsquerschnitt σ _em ( ^10-18 cm ² ), aber die Lebensdauer des oberen Energieniveaus ist kurz (fs), was der Energiespeicherung nicht förderlich ist. Die Entwicklung von ultrakurzen und ultraintensiven Lasern mit höherer Spitzenleistung ist seine Hauptrichtung.