CN104441849A - 过渡金属掺杂硫化锌或硒化锌平面波导材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

一种过渡金属掺杂硫化锌或硒化锌平面波导材料及制备方法，主要是在过渡金属离子掺杂硫化锌或硒化锌陶瓷两面夹上YAG或者Al₂O₃板条形成三明治平面波导结构，能有效控制激光的热镜效应，实现中红外波导激光输出。本发明不仅能通过三明治复合结构实现有效的热管理，还可以批量生产，对高功率激光技术以及集成光学的发展具有重要的意义。

Description

过渡金属掺杂硫化锌或硒化锌平面波导材料及制备方法

技术领域

本发明涉及激光增益材料，特别是一种过渡金属离子掺杂硫化锌或硒化锌平面波导材料及制备方法。

背景技术

中红外(2～5μm)波段正好处于大气的两个传输窗口(1-3μm,3-5μm)，也同时位于“分子指纹区”和“大气窗口区”，并且覆盖了许多重大大气分子的特征谱线，可广泛应用于遥感、测距、制导、通讯、红外光电对抗和干扰、气体探测、光谱分析及激光医疗等，在红外波段光源中占有重要位置。目前实现2～5μm中远红外固体激光的主要方式有：差频(DFG)，光学参量振荡(OPO)和光学参量放大(OPA)几种方式。这些方法决定了中红外激光的器件复杂性和功率低，使得在实际的应用上存在很多问题。所以找到能够直接泵浦而产生中远红外激光的固体激光材料一直是各国科学家研究的热点。

固体激光器的发展就是朝着降低激光介质材料热效应以提高输出功率和输出光束质量的目的发展，固体激光器的激光介质材料有棒状转变为板条状，抽运源由灯转变为激光二极管，并选择激光二极管光谱与激光介质吸收光谱相匹配，使得激光二极管抽运的固体激光器中激光介质材料的热效应大为降低，但是在激光介质材料吸收的泵浦能量中，仍有很大一部分光能转化为热能沉积在介质内部，而散热又要求对其表面进行冷却，这使得激光介质材料内部产生温度梯度和热应力，从而引起介质材料折射率发生变化，导致热效应的存在，尤其是在高功率固体激光器中激光介质材料的热效应极为显著，这一方面导致光束质量的破坏，如热透镜效应、热致双折射退偏、热致波前畸变等，另一方面，热应力过大甚至会使激光介质材料炸裂，制备了泵浦功率密度的提高，进而影响输出激光能量和重复频率的提高。固体激光介质材料的热效应严重制约着固体激光器的发展，因此迫切需要对激光介质中的热效应进行控制，寻找能够良好的降低介质热效应的材料具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种过渡金属离子(Cr²⁺、Co²⁺、Fe²⁺)掺杂硫化锌或硒化锌平面波导材料及其制备方法，该方法制备的过渡金属离子掺杂硫化锌或硒化锌三明治复合平面波导结构激光材料，激光泵浦产生的热能能迅速被周围两面YAG或Al₂O₃板条导走，达到降低泵浦阈值和有效控制激光热效应的目的。制备方法简便，适宜批量生产，能够满足中红外激光技术迅猛发展的市场需求，具有重大突破意义。

本发明的技术解决方案如下：

一种过渡金属离子掺杂硫化锌或硒化锌平面波导材料，特点在于其构成是在过渡金属离子掺杂的硫化锌或硒化锌陶瓷的两面与YAG或Al₂O₃板条复合形成的三明治结构。

所述的过渡金属离子掺杂的硫化锌或硒化锌平面波导激光材料的制备方法，该方法包括下列步骤：

①将中红外透过率达72％以上、过渡金属离子掺杂浓度达10¹⁸/cm²的数量级以上的过渡金属离子掺杂硫化锌或硒化锌陶瓷，切割成厚度为2～5毫米的片状，两面抛光形成过渡金属离子掺杂硫化锌或硒化锌陶瓷片；

②在所述的过渡金属离子掺杂硫化锌或硒化锌陶瓷片的两面同时夹上YAG或Al₂O₃板条，然后放入真空或使用气氛保护(N₂、H₂、O₂)的热压炉中，保持温度在850～950℃，压力在3～4吨/厘米²的条件下热压复合，保温保压时间为30～60分钟，得到过渡金属离子掺杂的硫化锌或硒化锌陶瓷三明治复合平面波导激光材料。

本发明的技术效果：

1.由于过渡金属离子(Cr²⁺、Co²⁺、Fe²⁺)掺杂的硫化锌或硒化锌与YAG或Al₂O₃板条形成的三明治结构平面波导，在泵浦光入射时能降低泵浦阈值，而三明治结构能将材料所产生的热能快速导走，达到有效的散热效果，输出效率能提高30％以上。此过渡金属离子(Cr²⁺、Co²⁺、Fe²⁺)掺杂硫化锌或硒化锌三明治复合平面波导结构激光材料可以满足中红外激光领域，有效解决激光热效应对激光输出质量的影响，并降低泵浦阈值提高斜率效率达到高功率输出，满足日益发展的激光技术及红外光学的需要。

2.过渡金属离子Cr²⁺，Co²⁺，Fe²⁺等掺杂II-VI族化合物ZnS/ZnSe在中红外波段发光具有下列明显的优势：

(1)ZnS/ZnSe声子能量低(200～350cm^-1,YAG:850cm^-1),电-声耦合作用弱，降低了激发态到基态的无辐射跃迁几率，使温度淬灭效应大大减小，可以在室温下连续高效运转。事实上，Cr²⁺:ZnSe是第一种能在室温下连续运转的中红外激光材料。

(2)Cr²⁺进入ZnS/ZnSe晶体占据某些间隙位置，形成局域六硫八面体配位和四锌四面体配位的双层配位结构。由于自旋-轨道耦合作用和Jahn-Teller效应的影响，Cr²⁺掺杂ZnS/ZnSe的局域结构由掺杂前的正四面体对称(T_d)变为掺杂后的四角对称(D_2d)，基态⁵T₂分裂成⁵B₂和⁵E两个能级，使得我们能获得中红外波段宽调谐的激光输出；同时由于上能级处于半导体材料禁带中，所以任何向Cr²⁺的跃迁是自旋禁止的或非常弱，因此其上转换和激发态吸收(ESA)可以忽略。

(3)Cr²⁺在晶格场中，由于反转不对称，晶体振子强度高，吸收和发射截面大(σ～10^-18cm²),上能级寿命短，从而可以获得峰值功率为千瓦级的皮秒脉冲，也可以作为稀土离子(Er³⁺、Tm³⁺、Ho³⁺等)激光的被动调Q开关。

(4)吸收带宽范围大(500～1000nm)，对应的泵浦光源较多，例如：可采用Er光纤(～1500nm)、二极管泵浦(1450nm～1800nm)或Co:MgF₂激光源(1600～2100nm)等等，并有望实现电激励，增益带宽超过1000nm。如图1所示。

(5)本发明过渡金属离子(Cr²⁺、Co²⁺、Fe²⁺)掺杂硫化锌或硒化锌三明治复合平面波导激光材料，能有效解决长久以来激光介质材料热效应对激光输出质量的影响，利用三明治结构复合散热材料，有效的控制热能产生，达到解决热效应的影响，并通过波导结构降低泵浦阈值提高斜率效率，达到更高功率中红外激光的输出，此材料工艺简单适宜批量生产，能够满足激光技术迅猛发展的市场需求，具有良好的经济效益和价值。

附图说明

图1是Cr²⁺离子在ZnS和ZnSe中的吸收波长范围和其波长范围内分别相对应的泵浦光源发射波长。

图2是本发明过渡金属离子掺杂硫化锌或硒化锌平面波导材料的结构示意图

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1

首先将高光学质量(中红外透过率达～72％以上、过渡金属离子离子掺杂浓度达～10¹⁸/cm²)的Cr²⁺:ZnS陶瓷，厚度为2毫米，两面夹上YAG，放入真空热压炉中，保持温度在850℃，压力在3吨/厘米²的条件下热压复合，保温保压30分钟，得到高质量的YAG+Cr²⁺:ZnS+YAG三明治复合结构的平面波导激光材料。

实施例2

首先将高光学质量(中红外透过率达～72％以上、过渡金属离子离子掺杂浓度达～10¹⁸/cm²)的Fe²⁺:ZnSe陶瓷，厚度为5毫米，两面夹上Al₂O₃，放入N₂气保护下的热压炉中，在900℃高温和4吨/厘米²的压力条件下热压复合，保温保压40分钟，得到高质量的Al₂O₃+F_e ²⁺:ZnS_e+Al₂O₃三明治复合结构的平面波导激光材料。

实施例3

首先将高光学质量(中红外透过率达～72％以上、过渡金属离子离子掺杂浓度达～10¹⁸/cm²)的Co²⁺:ZnS陶瓷，厚度为3毫米，两面夹上Al₂O₃，放入H₂气保护下热压炉中，在温度950℃下和压力3.5吨/厘米²的条件下进行高温热压复合，保温保压50分钟，得到高质量的Al₂O₃+Co²⁺:ZnS+Al₂O₃三明治复合结构的平面波导激光材料。

实施例4

首先将高光学质量(中红外透过率达～72％以上、过渡金属离子离子掺杂浓度达～10¹⁸/cm²)的Cr²⁺:ZnSe陶瓷，厚度为4毫米，两面夹上YAG，放入O₂气保护下热压炉中，在890℃下和3.8吨/厘米²的压力条件进行高温热压复合，保温保压60分钟，得到高质量的YAG+Cr²⁺:ZnSe+YAG三明治复合结构的平面波导激光材料。

Claims (2)

1.一种过渡金属离子掺杂硫化锌或硒化锌平面波导材料，特征在于其构成是在过渡金属离子掺杂的硫化锌或硒化锌陶瓷的两面与YAG或Al₂O₃板条复合形成的三明治结构。

2.权利要求1所述的过渡金属离子掺杂硫化锌或硒化锌平面波导材料的制备方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

①将中红外透过率达72％以上、过渡金属离子掺杂浓度达10¹⁸/cm²的数量级以上的过渡金属离子掺杂硫化锌或硒化锌陶瓷，切割成厚度为2～5毫米的片状，两面抛光形成过渡金属离子掺杂硫化锌或硒化锌陶瓷片；

②在所述的过渡金属离子掺杂硫化锌或硒化锌陶瓷片的两面同时夹上YAG或Al₂O₃板条，然后放入真空或使用气氛保护(N₂、H₂、O₂)的热压炉中，保持温度在850～950℃，压力在3～4吨/厘米²的条件下热压复合，保温保压时间为30～60分钟，得到过渡金属离子掺杂的硫化锌或硒化锌陶瓷三明治复合平面波导激光材料。