Fe2＋∶ZnSe激光晶體光學吸收及激光輸出性能

夏士興，張月娟，李興旺，王永國，莫小剛，申英杰，姚寶權

Fe2＋∶ZnSe激光晶體光學吸收及激光輸出性能

夏士興1，2，張月娟2，李興旺2，王永國1，2，莫小剛2，申英杰3，姚寶權3

（1.華北光電技術研究所；2.北京雷生強式科技有限責任公司，北京100015；3.哈爾濱工業(yè)大學可調諧激光技術國家重點實驗室，哈爾濱150001）

采用熱擴散摻雜技術制備了Fe2＋∶ZnSe晶體，測試晶體樣品中鐵離子濃度達1.27× 1018cm－3。分析了Fe2＋∶ZnSe晶體光譜的光學吸收特性，在室溫條件下，采用2.90μm激光器泵浦Fe2＋∶ZnSe晶體，獲得了中心波長4.45μm，平均功率67 mW的中紅外激光輸出。

Fe2＋；ZnSe晶體；離子濃度；光學吸收；激光輸出

1 引 言

摻鐵硒化鋅（Fe2＋∶ZnSe）晶體是一種可由激光器直接泵浦產生中紅外（3～5μm）激光輸出的激光晶體材料。其熒光壽命為0.3～100μs，波長調諧范圍為3.7～5.1μm，且在低溫與室溫下均可實現(xiàn)中紅外激光輸出［1－4］，被認為是非常有前途的激光晶體材料之一［5－8］。

本文采用ZnSe晶體為基質材料，F(xiàn)eSe為摻雜物，采用熱擴散摻雜技術制備了Fe2＋∶ZnSe晶體。分析了Fe2＋∶ZnSe晶體光學譜的吸收特性，實驗測試了Fe2＋∶ZnSe晶體的激光輸出性能。

2 實 驗

本文中以化學氣相沉積（CVD）硒化鋅（ZnSe）晶體為基質材料，純度為99.998%的硒化亞鐵（FeSe）粉末為摻雜物，通過熱擴散摻雜技術制備了Fe2＋∶ZnSe晶體。圖1是采用熱擴散摻雜技術制備的Fe2＋∶ZnSe晶體照片。由圖1中可以看出，制備的Fe2＋∶ZnSe晶體呈深棕黃色，色澤均勻，晶體尺寸達Φ22 mm×2 mm。

采用Perkin Elmer型號Lambda900的UV／VIS／NIR Spectrometer和BRUKER型號EQUINOX55的紅外光譜儀測試了Fe2＋∶ZnSe晶體的紅外透過光譜。采用二次離子質譜儀（SIMS）測試了熱擴散摻雜技術制備的Fe2＋∶ZnSe晶體樣品中鐵離子摻雜濃度。采用2.90μm激光器為泵浦源抽運Fe2＋∶ZnSe晶體，測試了Fe2＋∶ZnSe晶體的激光輸出性能。

圖1 Fe2＋∶ZnSe晶體照片F(xiàn)ig1 Photo of Fe2＋∶ZnSe crystal

3 結果與討論

圖2是熱擴散摻雜前基質ZnSe晶體與熱擴散摻雜后Fe2＋∶ZnSe晶體的紅外透過率對照譜圖。

圖2 ZnSe晶體與Fe2＋∶ZnSe晶體的透過譜Fig.2 Transmission spectrum of ZnSe and Fe2＋∶ZnSe crystal

由圖2中可以看出，熱擴散摻雜后Fe2＋∶ZnSe晶體的透過率略小熱擴散摻雜前基質ZnSe晶體的透過率，制得的Fe2＋∶ZnSe晶體在2.9μm附近出現(xiàn)了明顯的Fe2＋離子特征寬帶吸收，吸收峰寬度為2.2～5.3μm。

由于2.5～3.0μm波段范圍是Fe2＋∶ZnSe晶體泵浦源激光器主要工作波段，本文深入分析Fe2＋∶ZnSe晶體在的此波段范圍內的紅外透過譜圖。本文選取了兩塊熱擴散摻雜制得的Fe2＋∶ZnSe晶體和一塊ZnSe晶體對其紅外透過譜進行了分析。兩塊Fe2＋∶ZnSe晶體的編號分別為1＃和2＃，其中1＃（Fe2＋∶ZnSe）晶體樣品中鐵離子摻雜濃度達9.13× 1017cm－3，2＃（Fe2＋∶ZnSe）激光晶體樣品中鐵離子摻雜濃度達1.27×1018cm－3。

圖3是選取的兩塊熱擴散摻雜制得的Fe2＋∶ZnSe晶體和ZnSe晶體在1.8～3.0μm波段范圍紅外透過譜。由圖3中可以看出，1＃和2＃（Fe2＋∶ZnSe）晶體在2.2～3.0μm波段范圍內相對ZnSe晶體出現(xiàn)了較大的吸收，這部分吸收是Fe2＋離子特征吸收的一部分，且2＃（Fe2＋∶ZnSe）晶體的吸收強度略大于1＃（Fe2＋∶ZnSe）晶體的吸收強度。

圖3 ZnSe與Fe2＋∶ZnSe晶體的2.2～3.0μm波段透過譜Fig.3 Transmission spectrum of ZnSe and Fe2＋∶ZnSe crystal at2.2～3.0μm

分析圖3中1.8～3.0μm波段范圍內的光學吸收，除了Fe2＋離子特征吸收外，可能還有Fe3＋離子引起的Zn2＋離子的空位缺陷吸收，F(xiàn)e2＋／Fe3＋離子的共同存在使Fe2＋∶ZnSe晶體光譜在1.8～3.0μm波段范圍內的吸收強度增加，且隨著鐵離子摻雜濃度的增大，1.8～3.0μm波段范圍內的吸收強度也在增加。

研究過程中發(fā)現(xiàn)，隨著鐵離子摻雜濃度的增大，F(xiàn)e2＋∶ZnSe晶體在近紅外區(qū)的吸收也在增大。圖4是ZnSe與Fe2＋∶ZnSe晶體在0.45～0.6μm波段范圍內的透過譜。由圖4可以看出，F(xiàn)e2＋∶ZnSe晶體紫外吸收邊相對ZnSe晶體紫外吸收邊發(fā)生了紅移，且隨鐵離子摻雜濃度的增大，吸收邊紅移越趨明顯，圖4中表現(xiàn)為鐵離子摻雜濃度較高的2＃（Fe2＋∶ZnSe）晶體的吸收邊紅移趨勢比1＃（Fe2＋∶ZnSe）晶體的吸收邊紅移趨勢明顯。分析發(fā)生紅移的原因，主要是由于制備的Fe2＋∶ZnSe晶體是以ZnSe晶體為基質材料，在ZnSe晶體中摻雜的Fe2＋離子相對于ZnSe晶體中格點位置上的Zn2＋離子被Fe2＋離子取代，使ZnSe晶體發(fā)生了空位缺陷VFeZn，正是空位缺陷VFeZn的存在，使Fe2＋∶ZnSe晶體紫外吸收邊相對ZnSe晶體紫外吸收邊發(fā)生了紅移，且隨鐵離子摻雜濃度的增大，吸收邊紅移越趨明顯。

圖4 0.45～0.6μm波段范圍內ZnSe與Fe2＋∶ZnSe晶體的透過譜Fig.4 Transmission spectrum of ZnSe and Fe2＋∶ZnSe crystal at0.45～0.6μm

切取尺寸為4 mm×4 mm×2 mm的Fe2＋∶ZnSe晶體樣品，精細拋光后，在晶體樣品兩側鍍增透膜。采用波長2.90μm重復頻率1 kHz的泵浦源激光器抽運Fe2＋∶ZnSe晶體，當泵浦源平均功率輸出1.4 W時，獲得了中心波長4.45μm，脈沖寬度25 ns，平均功率67 mW的中紅外激光輸出。圖5是Fe2＋∶ZnSe晶體樣品激光輸出波長調諧范圍。

圖5 調諧波長Fig.5 Tuning wavelength

4 結 論

采用熱擴散摻雜技術獲得了光學性能較好的Fe2＋∶ZnSe晶體，制得的Fe2＋∶ZnSe晶體中鐵離子摻雜濃度達1.27×1018cm－3；該晶體樣品在2.9μm附近出現(xiàn)了明顯的Fe2＋離子特征寬帶吸收，吸收峰寬度由2.2μm至5.3μm；Fe2＋∶ZnSe晶體紫外吸收邊相對ZnSe晶體紫外吸收邊發(fā)生了紅移，且隨鐵離子摻雜濃度的增大，吸收邊紅移越趨明顯；室溫條件下，F(xiàn)e2＋∶ZnSe晶體實現(xiàn)了中心波長4.45μm，平均功率67 mW的中紅外激光輸出。

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Optical absorption and laser output performance of Fe2＋∶ZnSe laser crystal

XIA Shi-xing1，2，ZHANG Yue-juan2，LIXing-wang2，WANG Yong-guo1，2，MO Xiao-gang2，SHEN Ying-jie3，YAO Bao-quan3
（1.North China Research Institute of Electro-optics，Beijing，100015，China；2.Beijing Opto-Electronics Technology Co.Ltd.，Beijing，100015，China；3.National Key Laboratory of Tunable Laser Technology，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）

The Fe2＋∶ZnSe crystal has been prepared by thermal diffusion doping technique.The iron ions doping concentration that was measured by Secondary Ion Mass Spectrometry（SIMS）in the crystal sample reaches 1.27× 1018cm－3.The optical absorption spectrum of the Fe2＋∶ZnSe crystalwas analyzed.The results show thata 2.90μm laser is used to pump the Fe2＋∶ZnSe crystal at room temperature，67 mW average power ofmid-infrared laser output at center wavelength 4.45μm is obtained.

Fe2＋∶ZnSe crystals；ions concentration；optical absorption；laser output

TN244

A

10.3969／j.issn.1001-5078.2014.09.010

1001-5078（2014）09-1000-03

夏士興（1972－），男，博士，高級工程師。主要從事紅外非線光學材料制備與光學性能研究。E-mail：xiashixing＠oet.com.cn

2013-11-26