上海光机所提出钛宝石激光晶体残余红外吸收起源的新理论

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所微纳光电子功能材料实验室激光晶体研究团队采用基于密度泛函理论的第一性原理方法，实现对影响钛宝石激光发射效率的关键问题——残余红外吸收的理论突破，提出双机制主导残余红外吸收的理论，相关研究成果已正式发表在《光子学研究》(Photonics Research)。

钛宝石（Ti: sapphire）是三大基础激光晶体之一，具有优异的物化、光谱和激光性能，是超强超快激光装置的核心关键材料之一。自从1982年钛宝石晶体激光性能被报道以来，与激光发射带重合的残余红外吸收一直是影响其激光发射效率的关键问题，因此，确定残余红外吸收的起源是钛宝石激光晶体研究的重要课题之一。

该研究团队根据Al₂O₃晶体结构中AlO₆八面体的接触条件，定义并构建了4种Ti³⁺-Ti³⁺ 离子对模型和3种Ti⁴⁺-Ti³⁺ 离子对模型，利用密度泛函理论计算了包含各种缺陷模型的钛宝石晶体的电子光学性质，首次通过理论计算获得了与实验相符的近红外吸收光谱，提出了由线接触Ti³⁺-Ti³⁺ 离子对和面接触Ti⁴⁺-Ti³⁺离子对共同主导残余红外吸收的理论，成功地解释了残余红外吸收的退火特性、掺杂浓度依赖特性以及偏振特性。该研究工作实现了对影响钛宝石晶体激光发射效率关键问题的理论溯源和突破，不仅对钛宝石激光晶体的研究发展具有重要意义，也为筛选新型无残余红外吸收的钛掺杂激光晶体提供了思路。

Fig.1. (a) Al₂O₃ 超晶胞， (b) 4 种 Ti³⁺-Ti³⁺ 离子对模型， (c) 3Ti⁴⁺-V_Al^3- 模型，(d)~(f) 3种 Ti³⁺-3Ti⁴⁺-VAl^3- 模型。

Fig.2 线接触Ti³⁺-Ti³⁺ 离子对模型和面接触Ti⁴⁺-Ti³⁺ 离子对模型的电子光学性质。

该研究工作得到了中科院先导B、国家重点研发计划、国家自然科学基金和上海市科委的支持。

相关链接：https://doi.org/10.1364/PRJ.418395