近期，中科院上海光機(jī)所先進(jìn)激光與光電功能材料部在鈦寶石激光晶體氫氣退火機(jī)理研究方面取得進(jìn)展，相關(guān)成果以“Experimental and theoretical investigation on the mechanism of hydrogen annealing for Ti:sapphire laser crystal”為題發(fā)表于Materials Today Communications。

鈦寶石激光晶體是三大基礎(chǔ)激光晶體之一，具有大硬度、耐腐蝕、高熱導(dǎo)、高損傷閾值、寬帶吸收與寬帶發(fā)射等優(yōu)良特性，被廣泛應(yīng)用于可調(diào)諧激光器、超快激光器及高峰值功率激光裝置中。然而，鈦寶石晶體中存在的紅外殘余吸收會(huì)對(duì)其激光性能產(chǎn)生負(fù)面影響，對(duì)其進(jìn)一步應(yīng)用造成阻礙。

氫氣退火是一種降低鈦寶石晶體紅外殘余吸收的有效方法，但該方法的具體作用機(jī)理尚未有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。在理論層面深入理解氫氣退火對(duì)鈦寶石晶體的作用機(jī)理對(duì)改進(jìn)該方法有重要意義。研究團(tuán)隊(duì)采用實(shí)驗(yàn)與基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算相結(jié)合的方法，就氫氣退火過程對(duì)鈦寶石晶體光譜特性的影響開展了研究。在實(shí)驗(yàn)方面，測(cè)試了各鈦寶石晶體樣品氫氣退火前后吸收帶與發(fā)射帶的偏振吸收光譜，歸納討論了氫氣退火對(duì)鈦寶石晶體因摻雜濃度與偏振方向?qū)е碌挠绊懖町悺Ｔ谟?jì)算方面，構(gòu)建了三種在氫氣退火過程中存在的缺陷構(gòu)型，并對(duì)三種缺陷構(gòu)型的形成能、電子及光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果證明了三種缺陷構(gòu)型存在的合理性，得到了氫氣退火對(duì)不同缺陷構(gòu)型所產(chǎn)生的影響及影響程度。總結(jié)分析實(shí)驗(yàn)與計(jì)算數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)氫氣退火對(duì)鈦寶石晶體的影響是由晶體內(nèi)部多種缺陷共同作用的結(jié)果。這項(xiàng)工作為理解鈦寶石氫氣退火過程作用機(jī)理提供了新的思路，有助于進(jìn)一步優(yōu)化鈦寶石氫氣退火處理的參數(shù)與條件。

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圖1.各鈦寶石晶體樣品氫氣退火前后的偏振吸收光譜

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圖2.Al2O3超胞及氫氣退火過程缺陷構(gòu)型結(jié)構(gòu)圖

該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院及上海市等項(xiàng)目的支持。

相關(guān)鏈接：https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2024.108463