鈦寶石激光晶體研究進(jìn)展

徐民,龔巧瑞,李善明,杭寅

(中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所,中國(guó)科學(xué)院強(qiáng)激光材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 201800)

0 引言

在激光晶體研究領(lǐng)域,摻釹釔鋁石榴石(Nd:Y3Al5O12,Nd:YAG)、摻釹釩酸釔(Nd:YVO4)以及摻鈦藍(lán)寶石(Ti:Al2O3)是應(yīng)用最廣泛的激光晶體,被稱為“三大基礎(chǔ)激光晶體”[1,2]。其中,Nd:YAG晶體常用于中高功率激光器,Nd:YVO4晶體用于低功率激光器,而Ti:Al2O3用于可調(diào)諧和超快激光器。在這“三大基礎(chǔ)激光晶體”中,Nd:YAG和Nd:YVO4的激活離子為稀土離子,Ti:Al2O3的激活離子為過(guò)渡金屬離子,同時(shí)Nd:YAG和Nd:YVO4的基質(zhì)為含氧酸鹽,而Ti:Al2O3的基質(zhì)為氧化物,導(dǎo)致Ti:Al2O3晶體的結(jié)構(gòu)與性能較為獨(dú)特。Ti:Al2O3晶體獨(dú)特的物化及光學(xué)性質(zhì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(1)熔點(diǎn)高、硬度大、機(jī)械強(qiáng)度高、耐腐蝕;(2)熱導(dǎo)率高(遠(yuǎn)高于Nd:YAG和Nd:YVO4),抗熱沖擊性能良好;(3)光譜輸出范圍很寬,覆蓋幾百納米。這些優(yōu)異的性能使Ti:Al2O3自1982年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)[3,4],就應(yīng)用在調(diào)諧激光、高功率激光、超快激光等領(lǐng)域,并受到越來(lái)越廣泛、深入的研究。

本文主要綜述了Ti:Al2O3晶體結(jié)構(gòu)、性能、生長(zhǎng)方法、殘余紅外吸收、應(yīng)用等方面的進(jìn)展,并展望了Ti:Al2O3晶體的未來(lái)研究發(fā)展方向。

1 鈦寶石晶體結(jié)構(gòu)與性能

摻鈦藍(lán)寶石晶體簡(jiǎn)稱為“鈦寶石”,是在藍(lán)寶石基質(zhì)中摻入Ti3+形成的單晶材料,化學(xué)式為Ti:Al2O3。

鈦寶石晶體屬于三方晶系,其結(jié)構(gòu)是Ti3+取代基質(zhì)Al2O3中具有三角對(duì)稱的C位上的Al3+,位于一個(gè)八面體的中心,如圖1所示。Ti3+的電子組態(tài)為[Ar]3d1,外層僅有一個(gè)未配對(duì)的3d電子,該唯一的價(jià)電子決定著Ti3+的吸收和發(fā)射特性。Ti3+在八面體晶格場(chǎng)作用下,2D能級(jí)分裂成激發(fā)態(tài)2Eg能級(jí)和基態(tài)2T2g能級(jí)。激發(fā)態(tài)2Eg能級(jí)在姜-泰勒效應(yīng)下繼續(xù)分裂成2Eg(E3/2)和2Eg(E1/2)能級(jí)?；鶓B(tài)2T2g能級(jí)在立方晶格場(chǎng)作用下分裂為2A1和2E能級(jí),其中2E能級(jí)受三角晶格場(chǎng)作用可進(jìn)一步分裂,形成二重簡(jiǎn)并態(tài)。此外,在自旋-軌道耦合以及磁場(chǎng)等作用下,分裂的基態(tài)能級(jí)可進(jìn)一步發(fā)生劈裂。Ti3+在鈦寶石晶體中的能級(jí)結(jié)構(gòu)如圖2所示[5-7]。

圖1 鈦寶石晶體中的八面體配位結(jié)構(gòu)Fig.1 Octahedral coordination structure in Ti:Al2O3crystal

圖2 鈦寶石晶體中Ti3+的能級(jí)結(jié)構(gòu)Fig.2 Energy level structure of Ti3+in Ti:Al2O3crystal

鈦寶石晶體的基本物化及熱學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表1,主要光學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 鈦寶石晶體的基本物化性質(zhì)和熱學(xué)性質(zhì)[8]Table 1 Basic physicochemical and thermal properties of Ti:Al2O3crystal[8]

表2 鈦寶石晶體的光學(xué)性質(zhì)[9,10]Table 2 Optical characteristics of Ti:Al2O3crystal[9,10]

2 鈦寶石晶體生長(zhǎng)方法

用于熔體結(jié)晶的晶體生長(zhǎng)方法原則上都可以用來(lái)生長(zhǎng)鈦寶石晶體,但目前報(bào)道的生長(zhǎng)鈦寶石晶體的主要方法包括:提拉法(Czochralski,Cz)、熱交換法(Heat exchanger method,HEM)、泡生法(Kyropoulos,Ky)、溫度梯度法(Temperature gradient technique,TGT)、坩堝下降法(Bridgman-Stockbarger method)等。

2.1 提拉法

提拉法是熔體結(jié)晶最常用、最重要的晶體生長(zhǎng)方法,因此,人們常采用提拉法生長(zhǎng)鈦寶石晶體。在20世紀(jì)80年代鈦寶石激光器中常采用氙燈作泵浦源,需用到長(zhǎng)棒形的鈦寶石作為增益介質(zhì),而提拉法由于更易實(shí)現(xiàn)大長(zhǎng)度(10 cm以上)晶體的制備,因此更受研究人員的青睞[11,12]。Alombert-Goget等[13]采用提拉法生長(zhǎng)了長(zhǎng)度達(dá)12.5 cm的鈦寶石晶體(圖3)。同時(shí),利用532 nm光源激發(fā)測(cè)試晶體不同部位730 nm熒光強(qiáng)度,以及256 nm光源激發(fā)測(cè)試晶體不同部位420 nm熒光強(qiáng)度,通過(guò)熒光分析,了解Ti3+在晶體中的分布狀態(tài)。1986年中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展了提拉法生長(zhǎng)鈦寶石晶體的研究,生長(zhǎng)出Φ30 mm×220 mm的長(zhǎng)尺寸鈦寶石晶體,加工出Φ10 mm×160 mm、Φ8 mm×150 mm等尺寸、品質(zhì)優(yōu)良的激光棒[14]。提拉法生長(zhǎng)鈦寶石晶體有明顯的優(yōu)點(diǎn):(1)晶體生長(zhǎng)速率快、周期短;(2)易于觀察晶體生長(zhǎng)狀況,可實(shí)時(shí)控制晶體生長(zhǎng);(3)晶體不與坩堝接觸,減少雜質(zhì)污染;(4)晶體光學(xué)品質(zhì)較高,并可獲得長(zhǎng)度較長(zhǎng)的晶坯。

圖3 (a)提拉法生長(zhǎng)的鈦寶石晶體及(b)加工的晶片[13]Fig.3 (a)Ti:Al2O3crystal grown by the Cz method and(b)the processed wafers[13]

由于提拉法生長(zhǎng)鈦寶石晶體需要使用昂貴的銥金作為坩堝材料,導(dǎo)致制備成本較高。特別是進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來(lái),隨著泵浦鈦寶石晶體光源形式的多樣化(如532 nm/527 nm固體激光器、藍(lán)綠光LD等)以及超強(qiáng)超短激光的發(fā)展要求[15-17],對(duì)長(zhǎng)棒形鈦寶石晶體元件的需求降低,轉(zhuǎn)而對(duì)晶體口徑、濃度等的要求越來(lái)越高。因此,其他生長(zhǎng)鈦寶石晶體的方法愈來(lái)愈受到關(guān)注。

2.2 熱交換法

熱交換法最早由美國(guó)科研人員發(fā)明,用來(lái)生長(zhǎng)大尺寸藍(lán)寶石晶體,自20世紀(jì)80年代鈦寶石晶體被發(fā)現(xiàn)以來(lái),熱交換法又被用來(lái)生長(zhǎng)鈦寶石晶體。當(dāng)前,熱交換法已成為生長(zhǎng)大口徑優(yōu)質(zhì)鈦寶石晶體的主流技術(shù),其晶體生長(zhǎng)爐的基本構(gòu)造如圖4[18]。熱交換法生長(zhǎng)鈦寶石晶體的基本過(guò)程是:在爐膛坩堝中放入籽晶和原料,加熱使原料全部熔化而籽晶微熔;通過(guò)坩堝外底部豎置的耐高溫?zé)峤粨Q桿自下而上地通入低溫He氣,流動(dòng)的He氣將坩堝中籽晶與熔體的熱量帶走,形成熱量的交換,熔體從底部開(kāi)始結(jié)晶;通過(guò)改變He氣流量、加熱功率、控制溫度等,逐漸實(shí)現(xiàn)熔體從底部到頂部的完全結(jié)晶,形成鈦寶石晶體。

圖4 熱交換爐示意圖[18]Fig.4 Schematic of HEM furnace[18]

熱交換法生長(zhǎng)鈦寶石晶體的主要優(yōu)點(diǎn)有:(1)整個(gè)系統(tǒng)(包括坩堝、籽晶、發(fā)熱體、熱交換器等)相對(duì)靜止,晶體生長(zhǎng)固液界面被上層熔體包裹,界面穩(wěn)定不易受到外界的擾動(dòng);(2)生長(zhǎng)系統(tǒng)采用石墨加熱器和石墨碳?xì)直夭牧?具有還原氣氛環(huán)境,有利于抑制晶體中Ti4+的形成;(3)熔體結(jié)晶完成后,可實(shí)施原位退火,有利于減少晶體熱應(yīng)力。

國(guó)外采用熱交換法生長(zhǎng)鈦寶石晶體的單位主要是Crystal Systems公司(目前被GT Solar公司收購(gòu)),2010年該公司采用熱交換法生長(zhǎng)出208 mm口徑的鈦寶石晶體毛坯,并成功加工出Φ176.5 mm的鈦寶石元件[18]。2015年中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研制成功國(guó)內(nèi)首臺(tái)熱交換法生長(zhǎng)大尺寸鈦寶石晶體爐[圖5(a)],并通過(guò)優(yōu)化溫場(chǎng)、調(diào)控?fù)诫s濃度,完善晶體生長(zhǎng)工藝參數(shù),于2017年成功生長(zhǎng)出尺寸達(dá)Φ235 mm×72 mm的鈦寶石晶體[圖5(b)]。他們還表征分析了鈦寶石晶體透過(guò)、吸收、品質(zhì)因數(shù)(Figure of Merit,FOM)、小信號(hào)放大條件下能量輸出等特性[20,21],并利用Zygo激光干涉儀和應(yīng)力雙折射儀表征了晶體的光學(xué)均勻性和應(yīng)力雙折射,結(jié)果顯示:在180 mm口徑范圍內(nèi)鈦寶石晶體光學(xué)均勻性為5.52×10-5(圖6),應(yīng)力雙折射為5.0 nm/cm[19]。

圖5 (a)中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研制的熱交換爐;(b)采用熱交換法生長(zhǎng)的尺寸為Φ235 mm×72 mm的鈦寶石晶體[19]Fig.5 (a)HEM furnace developed by Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics,CAS;(b)The large sized Ti:Al2O3 crystal with dimension of Φ235 mm×72 mm grown by heat exchanger method[19]

圖6 Φ235 mm×72 mm鈦寶石晶體的光學(xué)均勻性[19]Fig.6 Optical homogeneity of Φ235 mm×72 mm Ti:Al2O3crystal[19]

2.3 泡生法

泡生法最早由前蘇聯(lián)人Kyropoulos提出,后經(jīng)研究人員改進(jìn),于20世紀(jì)70年代用于生長(zhǎng)藍(lán)寶石晶體,目前泡生法是生長(zhǎng)大尺寸藍(lán)寶石晶體成熟有效的方法,已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。鈦寶石的基質(zhì)材料就是藍(lán)寶石(Al2O3),因此科研人員也嘗試采用泡生法生長(zhǎng)鈦寶石晶體。然而,由于鈦離子在基質(zhì)Al2O3中的分凝系數(shù)很小(～0.16),導(dǎo)致要生長(zhǎng)大尺寸高光學(xué)均勻性的鈦寶石難度較大。直到2011年,法國(guó)研發(fā)人員Nehari等[22]報(bào)道了采用泡生法生長(zhǎng)出直徑10 cm的大尺寸鈦寶石(圖7),用He-Ne激光檢測(cè)了晶體元件的光學(xué)質(zhì)量,并利用微區(qū)熒光光譜、晶體徑向Ti3+濃度表征進(jìn)一步分析了泡生法鈦寶石晶體品質(zhì)。最后,基于啁啾脈沖放大技術(shù),采用2通放大(種子脈沖能量8 mJ)實(shí)現(xiàn)了65 mJ激光放大輸出。2016年,法國(guó)研發(fā)人員Alombert-Goget等[23]再次采用泡生法晶體生長(zhǎng)技術(shù),成功生長(zhǎng)出直徑～20 cm的鈦寶石毛坯,加工的晶體樣品直徑～10 cm(圖8)。該研究中樣品的品質(zhì)因數(shù)FOM值不高,不同位置處FOM的平均值僅為77,因此限制了元件在拍瓦(PW,1015W)激光中的應(yīng)用。

圖7 泡生法生長(zhǎng)的鈦寶石晶體。(a)a向;(b)c向;(c)厚度20 mm的晶片[22]Fig.7 Ti:Al2O3ingots grown by the Ky technique.(a)a-axis;(b)c-axis;(c)Wafer with thickness of 20 mm[22]

2.4 溫度梯度法

溫度梯度法簡(jiǎn)稱溫梯法(TGT),其生長(zhǎng)晶體的工作原理以及爐體基本構(gòu)造與熱交換法類似,主要區(qū)別在于溫梯法采用水冷籽晶方式,而熱交換法采用循環(huán)He氣制冷方式。溫梯法早期也被用于生長(zhǎng)藍(lán)寶石晶體[24],后來(lái)隨著鈦寶石激光器對(duì)鈦寶石晶體的需求(如更大的徑厚比、更高的摻雜濃度等),溫梯法被國(guó)內(nèi)研究人員用于生長(zhǎng)中等口徑及中高濃度的鈦寶石晶體[25-27]。溫梯法生長(zhǎng)鈦寶石晶體的主要優(yōu)點(diǎn)包括:(1)設(shè)備簡(jiǎn)單,易操作;(2)溫度梯度與重力場(chǎng)方向相反,并且坩堝、晶體和發(fā)熱體均固定不動(dòng),晶體生長(zhǎng)界面受外界擾動(dòng)少;(3)由于熔體從底部開(kāi)始結(jié)晶,晶體被上層熔體包覆,晶體內(nèi)溫度梯度較小,有效減小了熱應(yīng)力的聚集。

2014年,中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所科研人員采用溫梯法生長(zhǎng)了不同摻雜濃度的鈦寶石晶體,濃度分別為0.2 wt.%、0.25 wt.%、0.35 wt.%、0.45 wt.%,通過(guò)加工獲得了最大尺寸達(dá)Φ86 mm×37 mm的鈦寶石晶體元件(圖9),并系統(tǒng)表征了晶體的光學(xué)性質(zhì)、品質(zhì)以及熱性能[8,10]。

2.5 其他方法

除了上述幾種生長(zhǎng)鈦寶石晶體的典型方法,還報(bào)道過(guò)坩堝下降法、水平定向凝固法、光學(xué)浮區(qū)法、火焰法等生長(zhǎng)鈦寶石晶體[13,28-30],但是這些方法生長(zhǎng)的鈦寶石晶體由于存在尺寸偏小、光學(xué)質(zhì)量欠佳等問(wèn)題,并沒(méi)有得到較廣泛的應(yīng)用。

3 鈦寶石晶體殘余紅外吸收

對(duì)鈦寶石晶體的研究,除了上述結(jié)構(gòu)、性能、晶體生長(zhǎng)外,還有一個(gè)比較活躍的方向,就是基于鈦寶石晶體點(diǎn)缺陷結(jié)構(gòu)分析晶體的殘余紅外吸收。早在20世紀(jì)80年代,人們對(duì)鈦寶石開(kāi)展光譜性能研究就發(fā)現(xiàn),鈦寶石晶體除了在490 nm存在一主吸收(由Ti3+能級(jí)躍遷所致),在800 nm附近的近紅外波段還存在一個(gè)弱而寬的吸收帶,這就是殘余紅外吸收[11,31]。由此,研究人員開(kāi)始對(duì)鈦寶石晶體殘余紅外吸收的形成機(jī)理進(jìn)行了探索。此外,對(duì)殘余紅外吸收的研究還有助于分析提高晶體的品質(zhì)因數(shù)FOM值。鈦寶石晶體品質(zhì)因數(shù)定義為泵浦光波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的吸收系數(shù)與發(fā)射光波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的吸收系數(shù)之比,具體可以偏振光吸收系數(shù)表示為 FOM= α532(π,pol)/α800(π,pol)[18],也可用非偏振光吸收系數(shù)來(lái)表示,如 FOM= α532/α800、α514/α820等[23,32]。已有研究表明,鈦寶石晶體品質(zhì)因數(shù)越高,晶體激光輸出效率也越高[32]。由于FOM表達(dá)式中800 nm的吸收就涉及殘余紅外吸收,所以無(wú)論是分析材料品質(zhì)還是面向激光輸出效率考慮,殘余紅外吸收形成機(jī)理的研究都十分重要且有實(shí)際意義。

1987年,研究人員通過(guò)對(duì)退火鈦寶石樣品及未退火樣品吸收數(shù)據(jù)的分析,首次提出殘余紅外吸收的形成很可能來(lái)源于Ti3+-Ti4+離子對(duì)[33]。1988年,Aggarwal等[34]進(jìn)一步驗(yàn)證了Ti3+-Ti4+離子對(duì)模型的正確性,指出Ti3+受近鄰Ti4+及(或)關(guān)聯(lián)Al空位的庫(kù)侖場(chǎng)作用導(dǎo)致Ti3+3d電子激發(fā),從而產(chǎn)生殘余紅外吸收。同時(shí)也提出,除了Ti3+-Ti4+離子對(duì)還存在其他機(jī)制對(duì)殘余紅外吸收有影響。然而,Aggarwal等并未明確其他影響機(jī)制是什么。因此,更多的研究投入到對(duì)殘余紅外吸收更準(zhǔn)確全面的解析中。中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所的殷紹唐與曾貴平等曾就這一問(wèn)題進(jìn)行過(guò)專門的研究。他們認(rèn)為殘余吸收是一種寬帶吸收,可能受到多種機(jī)制的影響,并先后就鈦寶石晶體中的位錯(cuò)、點(diǎn)缺陷以及異質(zhì)相與殘余紅外吸收的關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[35-37]。研究表明,位錯(cuò)線對(duì)殘余紅外吸收中心具有偏聚作用[36],他們支持了Ti3+-Ti4+離子對(duì)導(dǎo)致殘余紅外吸收的觀點(diǎn),并認(rèn)為這種Ti3+-Ti4+離子結(jié)對(duì)的現(xiàn)象可能與基質(zhì)晶體中的異相物金紅石相(TiO2)有關(guān)[37]。除此之外,一些理論工作者對(duì)鈦寶石晶體中可能存在的點(diǎn)缺陷、缺陷復(fù)合物以及各類缺陷的形成能進(jìn)行了較為系統(tǒng)的計(jì)算,從能量的角度揭示了有關(guān)缺陷存在的可能[38-43],然而相關(guān)理論工作并沒(méi)有直接針對(duì)鈦寶石的殘余紅外吸收展開(kāi)研究。之后較長(zhǎng)的時(shí)間里,人們大多傾向于殘余紅外吸收就是由Ti3+-Ti4+離子對(duì)引起的,而幾乎沒(méi)有關(guān)于其他機(jī)制的報(bào)道。2019年,Moulton等[44]報(bào)道了一項(xiàng)關(guān)于高濃度摻雜鈦寶石樣品吸收特性的實(shí)驗(yàn)研究,指出殘余紅外吸收的強(qiáng)度與Ti3+的濃度之間存在平方律的關(guān)系,進(jìn)而提出了Ti3+-Ti3+離子對(duì)是導(dǎo)致殘余紅外吸收的原因,并將Ti4+對(duì)殘余紅外吸收的貢獻(xiàn)歸結(jié)于與之相關(guān)的Al空位對(duì)殘余紅外吸收截面的增強(qiáng)作用。除此之外,Moulton等依托大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),進(jìn)一步將殘余紅外吸收細(xì)化為三個(gè)吸收峰:806、1045、1350 nm。這預(yù)示著更多潛在機(jī)制的存在,也打破了之前人們對(duì)于殘余紅外吸收的認(rèn)識(shí)?？傮w來(lái)說(shuō),以往對(duì)于殘余紅外吸收起源的研究大多是基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的反推和假設(shè),缺少理論證據(jù)的支持,這才使得這一問(wèn)題始終懸而未決。2020年,中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所杭寅課題組采用第一性原理方法系統(tǒng)開(kāi)展了鈦寶石殘余紅外吸收的缺陷機(jī)制和起源的理論研究工作,通過(guò)計(jì)算大量可能存在的缺陷模型的電子光學(xué)性質(zhì),首次從理論上給出了與實(shí)驗(yàn)吸收光譜吻合的殘余紅外吸收譜,提出了由線接觸型Ti3+-Ti3+離子對(duì)和面接觸型Ti3+-Ti4+離子對(duì)共同主導(dǎo)殘余紅外吸收的理論,成功地解釋了殘余紅外吸收的退火特性、摻雜濃度依賴特性以及偏振特性,同時(shí)還給出了其他幾類可能導(dǎo)致更復(fù)雜殘余吸收的離子對(duì)缺陷機(jī)制,上述研究工作目前已投稿到相關(guān)領(lǐng)域期刊,其結(jié)果有望為理解這一影響鈦寶石激光效率的關(guān)鍵問(wèn)題提供重要的理論支撐。

4 鈦寶石晶體的應(yīng)用

鈦寶石激光晶體已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)、準(zhǔn)連續(xù)、脈沖、調(diào)諧、鎖模激光運(yùn)轉(zhuǎn)[32,45]。1985年,Strickland和Mourou[46]提出了啁啾脈沖放大(Chirped pulse amplification,CPA)的概念,CPA技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)臺(tái)式化的超強(qiáng)超短激光系統(tǒng)(Mourou和Strickland也由此獲得了2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng))。隨著CPA技術(shù)的發(fā)展成熟,鈦寶石激光晶體成為基于CPA技術(shù)實(shí)現(xiàn)拍瓦(PW,1015W)飛秒(fs,10-15s)級(jí)超強(qiáng)超短激光的最佳增益介質(zhì),并促使鈦寶石晶體的研究朝大口徑、高光學(xué)品質(zhì)方向發(fā)展。

1999年,美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員采用鈦寶石和釹玻璃的混合激光系統(tǒng),成功實(shí)現(xiàn)了峰值功率大于1.5 PW的激光輸出[47]。2003年,日本原子能研究所采用全鈦寶石CPA放大技術(shù),建成了壓縮后脈沖寬度33 fs、能量28.4 J的激光系統(tǒng),峰值功率達(dá)到了0.85 PW[48]。中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所在基于鈦寶石晶體實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)超短激光輸出領(lǐng)域也取得了一系列國(guó)際領(lǐng)先的研究成果:2013年,采用Φ100 mm×30 mm的鈦寶石晶體成功輸出72.6 J的激光放大能量,脈沖寬度26 fs,峰值功率為2.0 PW[49];2015年,采用Φ150 mm口徑的鈦寶石晶體實(shí)現(xiàn)了峰值功率5.13 PW的激光輸出[50];2017年,將自主研制的Φ235 mm×72 mm大尺寸鈦寶石晶體應(yīng)用于上海超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置(SULF),鈦寶石主放大器輸出的納秒級(jí)啁啾脈沖最高能量達(dá)到339 J(圖10),激光脈沖寬度經(jīng)過(guò)脈沖壓縮器壓縮后達(dá)到21 fs,壓縮后激光脈沖的最高峰值功率在國(guó)際上首次突破10 PW,達(dá)到10.3 PW[51]。

目前鈦寶石激光器研究的另一重要方向是半導(dǎo)體激光器(LD)直接泵浦鈦寶石晶體。早期鈦寶石激光器的泵浦源主要有氙燈、氬離子激光器、綠光固態(tài)激光器,由于這些泵浦方式存在體積大、效率低、系統(tǒng)復(fù)雜、成本高等問(wèn)題,造成鈦寶石激光器的價(jià)格昂貴,在一定程度上限制了其應(yīng)用推廣。隨著LD的發(fā)展,特別是高亮度、高功率的藍(lán)-綠光LD的出現(xiàn),使得LD直接泵浦鈦寶石晶體實(shí)現(xiàn)激光輸出成為可能。2009年,Roth等[52]使用單個(gè)1 W、452 nm的藍(lán)光LD直接泵浦鈦寶石獲得了19 mW的連續(xù)激光,首次實(shí)現(xiàn)了LD直接泵浦鈦寶石激光輸出。此后,國(guó)內(nèi)外相關(guān)工作陸續(xù)開(kāi)展,取得了較好的進(jìn)展[53-55]。2020年,中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究人員使用21 W的光纖耦合綠光LD模塊直接泵浦鈦寶石獲得了1.36 W的連續(xù)光輸出[56]。西安電子科技大學(xué)研究人員采用雙啁啾鏡和熔石英棱鏡對(duì)的組合對(duì)振蕩器內(nèi)色散進(jìn)行精密控制,獲得了8.1 fs的超短脈沖輸出,這是國(guó)際上首次由LD直接泵浦鈦寶石獲得亞10 fs激光脈沖輸出[57]。

5 展望

鈦寶石具有優(yōu)異的物化性能、熱學(xué)性能及光學(xué)性能,在超快激光等領(lǐng)域得到了重要的應(yīng)用。結(jié)合當(dāng)前研究熱點(diǎn)和應(yīng)用前景,未來(lái)鈦寶石晶體的研究將重點(diǎn)聚焦在以下兩個(gè)方面:

(1)大尺寸鈦寶石晶體生長(zhǎng)技術(shù)。目前國(guó)際上在建的超強(qiáng)超短激光系統(tǒng)多數(shù)都是基于鈦寶石晶體作為增益介質(zhì)實(shí)現(xiàn)拍瓦激光輸出,未來(lái)對(duì)大尺寸鈦寶石晶體元件的需求將日益增大,這將對(duì)大尺寸鈦寶石晶體生長(zhǎng)技術(shù)提出更高、更新的要求。

(2)高濃度鈦寶石晶體元件制備。為滿足社會(huì)生活需求,器件小型化、緊湊化是應(yīng)用趨勢(shì)。鈦寶石激光器小型化要求鈦寶石元件盡可能制備成薄片,為滿足對(duì)泵浦光足夠的吸收,薄片鈦寶石元件的濃度要求很高。由于鈦離子在晶體中的分凝系數(shù)很小,高濃度晶體的生長(zhǎng)難度較大,因此,優(yōu)質(zhì)高濃度鈦寶石晶體的研制也是重要的研究方向之一。