陶蒙蒙， 黃 珂， 吳濤濤， 欒昆鵬， 黃 超， 周孟蓮， 趙 軍

(西北核技術(shù)研究所, 西安 710024； 激光與物質(zhì)相互作用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710024)

3～5 μm中紅外波段處于大氣透過窗口，該波段的激光光源在遙感監(jiān)測、醫(yī)學(xué)診斷、激光雷達(dá)以及光電對抗等領(lǐng)域有著十分廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。目前，該波段光源的獲得主要靠非線性頻率轉(zhuǎn)換、量子級聯(lián)激光器、化學(xué)激光器、自由電子激光器、稀土以及過渡金屬元素?fù)诫s的固體激光器等手段。其中，過渡金屬摻雜硫化物的固體激光器是近年來新出現(xiàn)的一種獲得中紅外光源的重要途徑，最常見的增益介質(zhì)是Fe2+摻雜的ZnSe晶體。ZnSe晶體在中紅外波段吸收因數(shù)較低、光學(xué)透射因數(shù)較好，在摻雜一定濃度的Fe2+后可實(shí)現(xiàn)4～5 μm的中紅外激光輸出。

1996年，美國勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室最早論證了利用過渡金屬摻雜的硫化物晶體獲得中紅外激光輸出的可行性[4]。1999年，該實(shí)驗(yàn)室Adams等首次獲得了Fe∶ZnSe在中紅外波段的激光輸出[5]。實(shí)驗(yàn)中，F(xiàn)e∶ZnSe晶體需制冷在180 K以下。后續(xù)的研究也都要求對Fe:ZnSe晶體進(jìn)行制冷，以保證較高的吸收截面和較長的能級壽命[6-7]。直到2005年，美國Alabama大學(xué)首次實(shí)現(xiàn)了室溫下Fe∶ZnSe晶體的激光輸出[8]。另外，隨著晶體生長工藝和摻雜工藝的不斷進(jìn)步，F(xiàn)e∶ZnSe晶體的激光輸出能量也不斷提高。2016年，俄羅斯科學(xué)院的Frolov等實(shí)現(xiàn)了溫度85 K下能量輸出為10 J[9]。同年，該研究組利用非鏈?zhǔn)紿F脈沖激光器泵浦Fe∶ZnSe晶體，在室溫下獲得了能量輸出為2.1 J[10]，這是目前在室溫下的最高能量輸出。

我國相關(guān)的工作開展較晚，主要研究單位有華北光電技術(shù)研究所、中國科學(xué)院電子學(xué)研究所和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等。2014年，華北光電技術(shù)研究所在國內(nèi)首次報(bào)道了利用熱擴(kuò)散法制備的Fe∶ZnSe晶體獲得了平均功率為67 mW的中紅外激光輸出[11]。2015年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)和中國科學(xué)院電子學(xué)研究所分別報(bào)道了基于Fe∶ZnSe晶體的中紅外激光輸出[12-13]。與國外的研究水平相比，我國的相關(guān)研究工作還處于起步階段。

Fe∶ZnSe晶體吸收損耗的測量是開展激光器研究的重要基礎(chǔ)。吸收損耗的估算往往是利用晶體的透射光譜信息。文獻(xiàn)[11-14]均給出了各自實(shí)驗(yàn)所用的Fe∶ZnSe晶體的透射光譜曲線。文獻(xiàn)[14]還對不同溫度、不同摻雜濃度及不同入射光功率密度條件下的Fe∶ZnSe晶體透射譜進(jìn)行了研究。

本文利用Fe∶ZnSe晶體的透射光譜曲線，計(jì)算得到了晶體的整體損耗光譜信息。通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測量相結(jié)合的方法得到了晶體的反射光譜曲線，并由此得到了Fe∶ZnSe晶體的實(shí)際吸收損耗光譜數(shù)據(jù)，為晶體吸收因數(shù)的測定以及摻雜濃度的計(jì)算提供了重要依據(jù)。

1 ZnSe晶體的反射和透射光譜曲線計(jì)算

首先以ZnSe晶體的折射率數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對ZnSe晶體的透射和反射光譜進(jìn)行理論計(jì)算。ZnSe晶體在不同波長λ處的折射率不同，在1.5 ～2.5 μm波段的折射率可表述為[15]

(1)

其中，A=4.00；B=1.90；C=0.113。為了保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完整性，這里在1.5 ～3.3 μm波段均采用該折射率公式。根據(jù)菲涅耳公式，垂直入射情況下，電介質(zhì)表面的反射因數(shù)ρ(λ)為

(2)

由此計(jì)算可得ZnSe晶體表面在不同波長處的反射因數(shù)，如圖1所示。

圖1 ZnSe晶體表面在不同波長處的反射因數(shù)Fig.1 Reflectivity of ZnSe crystal at different wavelength

根據(jù)幾何光學(xué)理論，光束入射到晶體內(nèi)部后，一部分會(huì)被晶體吸收，剩余光則會(huì)在晶體兩個(gè)表面間多次反射，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生多個(gè)反射光和透射光，如圖2所示。

圖2 光束在晶體內(nèi)的反射、透射和吸收示意圖Fig.2 Schematic diagram of reflection,transmission and absorption of a laser beam within a crystal

圖中，θ為光束入射角；ρ(λ)為晶體單個(gè)表面的反射因數(shù)；α(λ)為晶體在不同波長處的吸收因數(shù)；l為晶體厚度，L=l/cosθ為光束在晶體內(nèi)單次傳輸光程。另外，圖中未考慮晶體對光束的散射效應(yīng)。

晶體的整體反射因數(shù)ρ′(λ)和整體透射因數(shù)τ(λ)：

ρ′(λ)≈ρ(λ)[1+(1-ρ(λ))2x2(λ)+ρ2(λ)

(1-ρ(λ))2x4(λ)+ρ4(λ)(1-ρ(λ))2x6(λ)]

(3)

τ(λ)≈(1-ρ(λ))2x(λ)(1+ρ2(λ)x2(λ)+

ρ4(λ)x4(λ)+ρ6(λ)x6(λ))

(4)

其中，x(λ)=exp(-α(λ)L)。

對于ZnSe晶體，不考慮對激光光束的吸收，且忽略垂直入射情況，即θ=0，則式(3)和式(4)可簡化為

ρ′(λ)≈ρ(λ)[1+(1-ρ(λ))2+ρ2(λ)

(1-ρ(λ))2+ρ4(λ)(1-ρ2(λ))]

(5)

τ(λ)≈(1-ρ2(λ))(1+ρ2(λ)+ρ4(λ)+ρ6(λ))

(6)

根據(jù)式(5)和式(6)計(jì)算得到了ZnSe晶體在1.5 ～3.3 μm內(nèi)的透射和反射光譜曲線，如圖3所示。該曲線與ZnSe晶體的實(shí)測反射和透過光譜曲線是一致的[11-12, 14-15]。驗(yàn)證了該計(jì)算方法的正確性。

圖3 計(jì)算得到ZnSe晶體的反射和透射光譜曲線Fig.3 Calculated reflection and transmission spectra of ZnSe crystal

2 Fe∶ZnSe晶體透射光譜測量與損耗估算

測試的兩塊Fe∶ZnSe晶體標(biāo)稱參數(shù)一致，截面尺寸為9 mm×8 mm，厚度為5 mm，標(biāo)稱摻雜濃度為1×1019cm-3。

使用PerkinElmer Lambda 950分光光度計(jì)對Fe∶ZnSe晶體的透射光譜曲線進(jìn)行測量，得到了不同入射角度下的透射光譜曲線，如圖4所示。

(a) θ=0°

(b) θ=8°

通過對圖4不同樣品、不同入射角度條件下的透射光譜曲線進(jìn)行對比，可以看出，在整個(gè)測量波段范圍內(nèi)，兩塊晶體的整體透射光譜都表現(xiàn)出非常好的一致性。小角度旋轉(zhuǎn)對晶體的透射光譜特性影響很小。與圖3對比可以發(fā)現(xiàn)，在1.5～2.1 μm波段，F(xiàn)e∶ZnSe晶體的透過因數(shù)與ZnSe晶體透射因數(shù)相當(dāng)，表明該波段的損耗主要是由晶體對入射光束的反射引起的。

圖5為利用晶體透射光譜曲線計(jì)算得到的晶體整體損耗光譜曲線?？梢钥闯?，在2.1 μm以后，由于Fe∶ZnSe晶體對該波段有較強(qiáng)的吸收，使得該波段損耗明顯增加。尤其在2.7～3.2 μm波段，損耗非常強(qiáng)。通過曲線擬合可得，不同入射角度下，兩塊晶體最大損耗均在2. 96 μm附近；θ為0°時(shí)，樣品A最大損耗約17.6 dB，樣品B最大損耗約18.9 dB；在入射角θ為8°時(shí)，樣品A最大損耗約18.8 dB，樣品B最大損耗約17.6 dB。

(a) θ=0°

(b) θ=8°

需要指出的是，該損耗是針對整體入射光束的損耗，其中包含了由反射引入的部分損耗。為了得到晶體真正的吸收損耗，需要對晶體的反射光譜做進(jìn)一步的測量。

另外，需要指出，圖4中測得的晶體透射光譜曲線在2 μm附近和2.7 μm附近以及3.1 μm以上的波段都存在較大的波動(dòng)，這是由于空氣中水的吸收所致。

3 Fe∶ZnSe晶體反射光譜曲線測量及晶體吸收因數(shù)估算

PerkinElmer Lambda 950分光光度計(jì)Universal Reflectance Accessory (URA)附件對中紅外波段反射光譜曲線的測量可以測到3.1 μm，但其可信區(qū)間僅能到2.5 μm附近，2.5～3.1 μm波段測量不確定度較大。因此，使用URA附件無法完整給出Fe∶ZnSe晶體反射因數(shù)光譜，尤其是在Fe∶ZnSe晶體吸收最為強(qiáng)烈的2.7～3.2 μm波段(該波段為Fe∶ZnSe晶體的泵浦波段)。這樣就必須采用理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測量結(jié)合、比對的方法對該波段的反射因數(shù)進(jìn)行估算。

根據(jù)圖4(a)中的透射光譜曲線，在垂直入射情況下，對式(4)進(jìn)行求解，可得到Fe∶ZnSe晶體在不同波長處的線性吸收因數(shù)，如圖6(a)所示。結(jié)合式(3)，即可計(jì)算得到Fe∶ZnSe晶體的整體反射因數(shù)ρ′(λ)，如圖6(b)所示。另外，利用URA附件測得晶體反射光譜曲線，如圖6(b)所示。

(a) Linear absorption coefficient spectra

(b) Calculated and measured reflection spectra

由式(4)對各變量的定義可知，圖6(a)計(jì)算得到的Fe∶ZnSe晶體線性吸收因數(shù)對應(yīng)的是光束單次通過晶體內(nèi)部所產(chǎn)生的損耗，而不是光束在晶體內(nèi)部多次反射、吸收所產(chǎn)生的整體吸收損耗。

由圖6(b)可以明顯地看出，在1.5～2.5 μm波段，計(jì)算得到的晶體整體反射因數(shù)與使用URA附件測得的反射光譜曲線吻合較好，驗(yàn)證了理論計(jì)算結(jié)果的正確性，而在2.5～3.3 μm這一波段，由于URA附件測量不確定度較大，導(dǎo)致實(shí)測結(jié)果與理論計(jì)算之間出現(xiàn)了較大的偏差。

基于圖4(a)中實(shí)測得到的晶體透射光譜曲線和圖6(b)中計(jì)算得到的晶體反射光譜曲線，就可以對晶體的實(shí)際吸收率以及實(shí)際吸收損耗進(jìn)行估算，結(jié)果如圖7所示。

(a) Absorption spectra

(b) Loss spectra

圖7(b)中的吸收損耗曲線為不含反射損耗的實(shí)際吸收損耗曲線。通過擬合曲線可得，垂直入射下，兩塊晶體最強(qiáng)吸收均在2. 96 μm附近，晶體A最強(qiáng)吸收損耗約為16.8 dB，晶體B最強(qiáng)吸收約為17.8 dB。與圖5(a)對比可見，反射帶來的損耗約為0.8～1.1 dB。

Fe∶ZnSe晶體在3 μm附近的吸收截面為(65～97)×10-20cm2[1,5]，根據(jù)擬合所得的最強(qiáng)吸收損耗，計(jì)算可得兩塊Fe∶ZnSe晶體的摻雜濃度范圍分別為(0.80～1.19)×1019cm-3和(0.85～1.26)×1019cm-3，與標(biāo)稱摻雜濃度相當(dāng)。

4 結(jié)論

利用理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測量相結(jié)合的方法得到了Fe∶ZnSe晶體的吸收光譜特性參數(shù)。通過吸收光譜特性計(jì)算得到的晶體摻雜濃度與標(biāo)稱摻雜濃度相符。吸收光譜特性的測量與計(jì)算為Fe∶ZnSe晶體激光器的研究提供了重要的技術(shù)參數(shù)。另外，該方法為激光晶體的吸收特性測量與計(jì)算提供了一種參考方案。

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