《鈦寶石晶體殘餘紅外吸收形成機理研究》是依託中國科學院上海光學精密機械研究所，由徐民擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：鈦寶石晶體殘餘紅外吸收形成機理研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：徐民
- 依託單位：中國科學院上海光學精密機械研究所
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
面向拍瓦級超強超短脈衝雷射裝置對優質鈦寶石雷射晶體的需求，本項目擬開展對晶體品質有關鍵影響的殘餘紅外吸收的形成機理研究。利用第一性原理模擬計算不同點缺陷模型下鈦寶石晶體的電子結構/光學性質（能帶、態密度、理論吸收、能量損失譜等），結合晶體精細光譜表征（ICP、Raman、IR、吸收等）實驗，運用國內外先進的HEM、TGT等製備方法最佳化調控鈦寶石的製備，從模擬計算和實驗驗證兩方面綜合分析引起殘餘紅外吸收的微觀結構因素（點缺陷），解析這些結構因素對該吸收的影響過程，從而闡明其形成機理。項目研究成果有望用於指導最佳化晶體製備工藝，提高鈦寶石晶體品質，對推動國家超強超短脈衝雷射器件中關鍵核心材料的發展有重要意義。
結題摘要
鈦寶石晶體具有寬頻吸收（400 nm~650 nm）、寬頻發射（600 nm~1050 nm）、高熱導率的特性，是大型超強超短雷射器中的核心增益介質，其品質影響雷射輸出效能。鈦寶石晶體的品質因數與800nm附近的殘餘紅外吸收直接相關，通過開展殘餘紅外吸收形成機理的解析工作，將為最佳化晶體製備技術減小殘餘吸收提供理論指導，最終實現晶體品質提升。基於上述背景，項目開展了以下研究：（1）基於不同摻雜濃度的鈦寶石晶體，建立點缺陷晶體結構模型，開展晶體第一性原理模擬計算，研究不同模型下的理論性能參量，從晶體結構層面分析殘餘紅外吸收的誘因。（2）針對與殘餘紅外吸收相關的點缺陷，利用提拉法、熱交換法生長製備了不同摻雜濃度的鈦寶石晶體樣品。研究了晶體不同氣氛條件下退火處理對光譜性能的影響，從實驗層面上驗證殘餘紅外吸收理論分析結果。（3）在對鈦寶石晶體進行光譜研究，特別是重點分析近紅外波段的晶體光譜基礎上，建立殘餘吸收的精確表征方法。（4）開展了將殘餘紅外吸收形成機理的解析結果用於指導實際晶體生長的研究工作，研製出Φ235mm×72mm高品質的鈦寶石晶體。通過研究，確定了鈦寶石晶體800nm附近的殘餘紅外吸收主要有兩種結構所致：①+3和+4價的Ti離子團聚結構：在該結構模型中，當Ti3+和Ti4+互換位置，即發生(Ti3+,Ti4+)→(Ti4+,Ti3+)電荷遷移態躍遷，吸收能量約1.5eV左右，波長~826nm。②Ti4+離子和VO空位的團聚結構（即[Ti4+,(VO)+]或[Ti4+,(VO)]團聚，晶體中存在(VAl)3-並進行電荷補償）：當發生[Ti4+, (VO)]→[Ti3+, (VO)+) 及[Ti4+, (VO)+]→[Ti3+, (VO)2+]的電荷遷移態躍遷，吸收能量在1.1 - 1.6 eV 範圍，波長775nm~1127nm。基於殘餘吸收的解析，指導生長獲得大尺寸高品質鈦寶石晶體，並成功套用於上海超強超短雷射實驗裝置（SULF），實現最高峰值功率10.3拍瓦的放大輸出。項目執行發表標註資助號的論文7篇，申請專利1件，培養博士後出站人員1名，參加有關學術會議並作口頭報告2次。
