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超強激光科學卓越創新簡報
(第一百九十五期)
2021年5月19日
上海光機所提出鈦寶石激光晶體殘余紅外吸收起源的新理論
  近日,中國科學院上海光學精密機械研究所微納光電子功能材料實驗室激光晶體研究團隊采用基于密度泛函理論的第一性原理方法,實現對影響鈦寶石激光發射效率的關鍵問題——殘余紅外吸收的理論突破,提出雙機制主導殘余紅外吸收的理論,相關研究成果已正式發表在《光子學研究》(Photonics Research)。
  鈦寶石(Ti: sapphire)是三大基礎激光晶體之一,具有優異的物化、光譜和激光性能,是超強超快激光裝置的核心關鍵材料之一。自從1982年鈦寶石晶體激光性能被報道以來,與激光發射帶重合的殘余紅外吸收一直是影響其激光發射效率的關鍵問題,因此,確定殘余紅外吸收的起源是鈦寶石激光晶體研究的重要課題之一。
  該研究團隊根據Al2O3晶體結構中AlO6八面體的接觸條件,定義并構建了4種Ti3+-Ti3+ 離子對模型和3種Ti4+-Ti3+ 離子對模型,利用密度泛函理論計算了包含各種缺陷模型的鈦寶石晶體的電子光學性質,首次通過理論計算獲得了與實驗相符的近紅外吸收光譜,提出了由線接觸Ti3+-Ti3+ 離子對和面接觸Ti4+-Ti3+離子對共同主導殘余紅外吸收的理論,成功地解釋了殘余紅外吸收的退火特性、摻雜濃度依賴特性以及偏振特性。該研究工作實現了對影響鈦寶石晶體激光發射效率關鍵問題的理論溯源和突破,不僅對鈦寶石激光晶體的研究發展具有重要意義,也為篩選新型無殘余紅外吸收的鈦摻雜激光晶體提供了思路。
  該研究工作得到了中科院先導B、國家重點研發計劃、國家自然科學基金和上海市科委的支持。(微納光電子功能材料實驗室供稿)
Fig.1. (a) Al2O3 超晶胞, (b) 4 種 Ti3+-Ti3+ 離子對模型, (c) 3Ti4+-VAl3- 模型,(d)~(f) 3種 Ti3+-3Ti4+-VAl3- 模型。
Fig.2 線接觸Ti3+-Ti3+ 離子對模型和面接觸Ti4+-Ti3+ 離子對模型的電子光學性質。
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