基于Fe2+∶ZnSe粉末的4.45 μm中紅外隨機(jī)激光

戴深宇,馮國英,張 弘,寧守貴,鄧麗娟,周壽桓,2

(1.四川大學(xué)電子信息學(xué)院,激光微納工程研究所,四川 成都 610065；2.華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

2～5 μm的中紅外波段是大氣的一個傳輸窗口,發(fā)展該波段的中紅外激光光源,對分子光譜學(xué)、大氣遙感、光通信和軍事對抗等鄰域有著重要的價值[1-2]。過渡金屬(TM)摻雜的II-VI族半導(dǎo)體是一類理想的中紅外固體激光器和光電器件的增益材料。II-VI族半導(dǎo)體具有較低的聲子截斷能和很寬的紅外透明范圍,當(dāng)摻雜了Cr2+或Fe2+離子后,這些材料將能實現(xiàn)覆蓋2～6 μm的寬熒光輸出[3]。目前,利用Cr2+∶ZnS、Cr2+∶ZnSe、Cr2+∶

CdxMn1-xTe、Cr2+∶CdSe、Fe2+∶ZnSe等晶體,已經(jīng)實現(xiàn)了室溫下多種運(yùn)轉(zhuǎn)模式的中紅外固體激光器[4-7]。

近年來,微納結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體引起了人們對激光器小型化的極大興趣。微盤激光器[8]、納米線激光器[9]、光子晶體激光器[10]及隨機(jī)激光器[11]等緊湊型半導(dǎo)體激光器的出現(xiàn),使光纖通信、圖像掃描、條形碼、激光打印機(jī)和小型激光測距系統(tǒng)等新技術(shù)得以發(fā)展。隨機(jī)激光器是一類利用增益介質(zhì)中多重散射、無需諧振器和其他光學(xué)元件的新型激光器,具有尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。在中紅外波段,2～3 μm的隨機(jī)激光已經(jīng)在Cr2+摻雜ZnSe、ZnS和CdSe等材料的微米粉末[12-13]和在更小尺度的納米晶[14]、納米線[15]中實現(xiàn)；然而,3～5 μm更長波段的基于Fe2+∶II-VI中紅外隨機(jī)激光則鮮有報道。

本文利用Fe2+∶ZnSe微米粉末產(chǎn)生了中心波長4.45 μm中紅外隨機(jī)激光。利用X射線衍射分析了Fe2+∶ZnSe粉末的晶型。利用一臺2.94 μm的脈沖Er∶YAG激光器作為泵浦源,使用自制熒光測試系統(tǒng),研究了Fe2+∶ZnSe粉末的光致發(fā)光譜和發(fā)光脈沖的時間特性。

2 Fe2+∶ZnSe粉末樣品制備

首先,通過氣相熱擴(kuò)散法制備了Fe2+摻雜的ZnSe多晶塊體。將ZnSe多晶塊體和Fe粉分別置于石英玻璃管的不同位置,然后將石英玻璃管抽真空密封,管內(nèi)壓強(qiáng)P<10-3Pa。將密封好的石英管放入高溫電阻爐內(nèi),在1000 ℃下加熱72 h后緩慢冷卻至室溫。取出樣品,發(fā)現(xiàn)ZnSe晶體顏色由黃色變?yōu)樯罹萍t色,表明Fe2+成功摻雜進(jìn)入ZnSe晶體中。Fe2+摻雜濃度約為1×1019cm-3。

對制得的Fe2+∶ZnSe多晶塊體進(jìn)行機(jī)械破碎,隨后用瑪瑙研缽手工研磨15 min,直至粉末的顏色變回黃色。圖1(a)所示為Fe2+∶ZnSe粉末的顯微鏡照片?？梢钥闯鍪止ぱ心ブ苽涞奈⒚追勰┬螤畈⒉灰?guī)則,尺寸在10～50 μm,并存在解離面和銳利的邊角。樣品粉末的Cu靶X射線衍射(XRD)圖譜如1(b)所示?？梢钥闯鯢e2+∶ZnSe粉末為立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)(PDF#37-1463)。主要的衍射峰位于2θ= 27.5,45.5,53.3,56.2,65.9,72.6°處,分別對應(yīng)立方閃鋅礦ZnSe的(111),(220),(311),(222),(400),(331)晶面。由于手工研磨過程不會改變晶體的晶體結(jié)構(gòu),也沒有引入雜質(zhì),因此制得的Fe2+∶ZnSe粉末具有與ZnSe塊體相同的立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)。XRD結(jié)果也表明Fe雜質(zhì)的引入沒有改變ZnSe的晶體結(jié)構(gòu)。

圖1 形貌表征Fig.1 Morphology characterization

3 實驗過程

為了研究 Fe2+∶ZnSe微米粉末光致發(fā)光的光譜特性和時間特性,搭建了熒光測試系統(tǒng),裝置如圖2所示。利用一臺自制輸出波長2.94 μm,重復(fù)頻率1 Hz,脈寬100 ns的Er:YAG脈沖激光器作為泵浦源,通過直接激發(fā)Fe2+離子的5E→5T2躍遷得到Fe2+∶ZnSe樣品的中紅外光致發(fā)光譜、發(fā)光脈沖時間特性和隨機(jī)激光光譜。泵浦光經(jīng)過一個CaF2透鏡入射到樣品上。樣品的光致熒光或激光信號經(jīng)一個ZnSe透鏡收集進(jìn)入單色儀(Princeton Instruments,Acton SP-2750)后,被一個HgCdTe探測器探測。探測器信號通過鎖相放大器、采集卡處理得到光譜圖,通過示波器得到發(fā)光脈沖的時間特性。

圖2 熒光測試系統(tǒng)裝置示意圖Fig.2 Experimental setup for fluorescence measurments

實驗開始前,取1 g研磨好的Fe2+∶ZnSe粉末樣品固定在單色儀配套的樣品池中,保證實驗過程中泵浦光斑在樣品上的位置不變,光斑大小約0.4 mm2。為了消除泵浦光的影響,在探測器前使用紅外長通濾光片(>3700 nm)濾除短波信號。實驗中所有的測試都在室溫下進(jìn)行。通過發(fā)光光譜測試和發(fā)光時間特性測試兩組實驗來證明Fe2+∶ZnSe微米粉末在2.94 μm的光泵浦下產(chǎn)生隨機(jī)激光。

圖3(a)展示了不同脈沖能量泵浦下,Fe2+∶ZnSe微米粉末樣品的激光光譜圖。當(dāng)能量較小時(1.5 mJ/pulse),Fe2+∶ZnSe微米粉末的光譜較弱。圖3(a)中的插圖給出了此能量下粉末在3700～5000 nm內(nèi)的完整光譜,可以看出此時光譜表現(xiàn)為很寬的熒光光譜,對應(yīng)Fe2+離子的5T2→5E躍遷。需要注意的是,由于空氣中CO2的吸收作用,光譜在4250 nm附近下沉。當(dāng)脈沖能量增加到2.5 mJ/pulse時,在光譜中4400 nm附近開始出現(xiàn)一系列分立的小尖峰。這些尖峰來自Fe2+∶ZnSe粉末之間由于多重散射和增益形成的相干隨機(jī)激光。這種多縱模特性是判斷形成隨機(jī)激光的重要標(biāo)準(zhǔn)[16]。隨著脈沖能量繼續(xù)增加,分立的尖峰強(qiáng)度增加,并且出現(xiàn)新的模式,光譜變得連續(xù)。當(dāng)能量達(dá)到6.5 mJ/pulse時,形成了包絡(luò)中心波長4450 nm的很強(qiáng)的單峰,其線寬約為50 nm。

為了進(jìn)一步證實Fe2+∶ZnSe粉末產(chǎn)生了隨機(jī)激光,研究了光譜峰值強(qiáng)度和線寬(取FWHM)隨泵浦能量的變化規(guī)律,如圖3(b)所示。從圖中,可以觀察到光譜強(qiáng)度和線寬都存在明顯的閾值現(xiàn)象,閾值約為2.0 mJ/pulse,這是產(chǎn)生激光的一個重要標(biāo)志。當(dāng)泵浦能量低于閾值時,探測到的光譜信號主要來自自發(fā)輻射,強(qiáng)度很弱且光譜的線寬很寬。當(dāng)泵浦能量增大到閾值時,受激輻射占主導(dǎo)地位,迅速消耗上能級反轉(zhuǎn)粒子,只有合適的波長能夠得到放大。因此光譜峰值強(qiáng)度迅速增大,線寬急劇減小到50 nm左右。

圖3 光譜特性Fig.3 Spectral properties

發(fā)光的時間特性是表征隨機(jī)激光的另一個重要研究內(nèi)容。通過示波器,研究了不同泵浦能量下Fe2+∶ZnSe微米粉末光致發(fā)光的時間特性。圖4(a)給出了室溫下單脈沖泵浦能量分別為0.5、1.5、3.5 mJ時,在4450 nm處測得的Fe2+∶ZnSe微米粉末發(fā)光的歸一化時間特性曲線。當(dāng)泵浦能量很弱時(0.5 mJ/pulse),Fe2+∶ZnSe微米粉末表現(xiàn)出典型的熒光特性,熒光壽命約為270 ns,接近Fe2+∶ZnSe塊體的熒光壽命(約300 ns)。隨著泵浦能量增大,脈沖寬度迅速變小。在能量接近閾值時(1.5 mJ/pulse),脈沖寬度已經(jīng)減小到105 ns。當(dāng)能量高于閾值時(3.5 mJ/pulse),脈沖寬度僅有50 ns,遠(yuǎn)小于熒光壽命。造成這種現(xiàn)象的原因,是因為當(dāng)泵浦能量達(dá)到閾值以后,受激輻射迅速消耗上能級反轉(zhuǎn)粒子,導(dǎo)致脈沖寬度明顯減小。圖4(b)展示了脈沖寬度隨泵浦能量的變化關(guān)系,其變化過程存在明顯的閾值現(xiàn)象,閾值約為2 mJ/pulse,與光強(qiáng)變化的閾值相同,這也證明了Fe2+∶ZnSe微米粉末產(chǎn)生了隨機(jī)激光。隨著泵浦能量增大,粉末發(fā)光的脈沖寬度最終穩(wěn)定在40 ns左右。

圖4 時間特性Fig.4 Temporal characterization

這種由Fe2+∶ZnSe粉末產(chǎn)生的隨機(jī)激光的現(xiàn)象,可以用多重散射理論解釋,其增益介質(zhì)和散射顆粒都是Fe2+∶ZnSe,多重散射發(fā)生在微米顆粒與空氣的界面處。在泵浦區(qū)域,受激輻射通過在多個顆粒間多重散射構(gòu)成的微型環(huán)路腔得到放大。當(dāng)泵浦能量達(dá)到閾值時,增益大于損耗,產(chǎn)生相干隨機(jī)激光輸出。由于不需要使用傳統(tǒng)的諧振腔鏡,這種激光器具有結(jié)構(gòu)緊湊、制備過程簡單、發(fā)光強(qiáng)度強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),在許多紅外領(lǐng)域中有很好的應(yīng)用前景。

4 總 結(jié)

本文采用機(jī)械研磨制備的Fe2+∶ZnSe微米粉末產(chǎn)生了中紅外隨機(jī)激光。研磨過程沒有引入其他雜質(zhì),XRD結(jié)果表明制得的Fe2+∶ZnSe粉末具有與ZnSe塊體相同的立方閃鋅礦結(jié)構(gòu),Fe2+離子的引入沒有改變ZnSe的晶體結(jié)構(gòu)。利用一臺2.94 μm的脈沖Er:YAG激光器作為泵浦源,使用自制熒光測試系統(tǒng),研究了Fe2+∶ZnSe粉末的光致發(fā)光特性和發(fā)光脈沖的時間特性。隨著泵浦能量增加,光譜發(fā)光強(qiáng)度發(fā)生躍變,光譜線寬從500 nm減小到50 nm,脈沖時間從270 ns減小到50 ns。當(dāng)泵浦能量高于2 mJ/pulse的閾值時,產(chǎn)生了中心波長4.45 μm的中紅外隨機(jī)激光。這種利用Fe2+∶ZnSe微米粉末產(chǎn)生了中紅外隨機(jī)激光的方法在紅外標(biāo)記、光通信、分子光譜測量等許多領(lǐng)域中有很好的應(yīng)用前景。