LiF:F2晶体在飞秒激光作用下色心转变机理研究

余娟 西安邮电学院电子与信息工程系 710121

LiF:F2晶体在飞秒激光作用下色心转变机理研究

余娟 西安邮电学院电子与信息工程系 710121

通过实验观察到L iF:F2晶体在红外飞秒激光脉冲作用下发生色心类型转变现象，本文对该晶体发生色心类型转变的物理过程进行了推理并定性地给出了图像说明。

LiF:F2晶体;红外;飞秒激光脉冲;色心

LiF:F2crystal; infrared radiation; femtosecond laser pulse; color center

前言

碱金属卤化物、碱土金属氟化物等透明的离子晶体中，电子的导带和价带之间的带隙（禁带）较宽（典型值为9～10ev），从红外直至紫外波段的各种能量的光子都不足以使价带电子激发到导带，因此它们不能被这些晶体所吸收。具有适当能量的光子可以使阴离子释放出电子，同时产生空穴。但是能量较低的光子不能使阴离子电离，而是把阴离子激发到较高的受激态，这些激发引起价电子向激子状态跃迁，在靠近晶体的基本吸收边处形成吸收带。离子晶体中的空位具有有效电荷，在辐射过程中释放出的空穴和电子，两者都可被带适当电荷的空位的场俘获，这被俘电子或电子能吸收某一波段的可见光，从而原来透明的晶体呈现出相应的颜色。这种光吸收中心就是色心[1]。

随着人们对晶体中色心性质和结构的不断深入的探索和研究，目前已经基本了解了一些常见的简单色心的结构和其独特的光学性质，尤其是对F心、F2、F+3心等缺陷类型的特征吸收带和荧光发射光谱的研究，使得人们对色心缺陷的优点认识的更加全面，而且也在不断地寻求各种色心缺陷的利用价值和空间。目前，色心主要应用于高密度信息存储，制造可调谐激光器,色心计量计等技术领域[2～8]。

LiF晶体的众多色心当中，F2和F3＋色心一直是人们研究的热点。这两种色心的吸收带高度重迭（吸收峰波长仅仅相差4nm），用450nm的单色光激发可产生从浅绿至深红的相当宽的荧光带。并且LiF晶体拥有在室温下不易潮解以及F＋3色心的热稳定性等优良的光学性能，在上世纪末具有F2和F3＋色心的LiF晶体一度成为激光运转增益介质的研究热点之一。[9～15]

随着激光技术的不断发展以及对晶体中色心性质研究的不断深入，研究人员发现由辐照着色产生的色心并不是一成不变的，在一定条件的附加辐照着色的激发下，晶体中的色心类型会发生转变。这对于提高晶体某种色心的密度是非常有利的。如L.F.Mollenauer利用F2心在激光处理光速作用下发生著名的两步光电离产生F2＋心，产生稳定的F2＋心激光输出，这项技术已经申请专利[16]。天津大学的顾洪恩用氮分子照射LiF:F2晶体产生了F2向F3＋的色心转变[17]。

基于在实验中观察到LiF:F2晶体在远红外飞秒激光脉冲作用下发生色心类型转变的现象，本文定性地提出了色心转变的机理。

1.F2向F3＋的色心转变的实验研究

在L i F晶体中，F2心在峰值波长445nm和670nm处分别有较宽吸收带和荧光带，F3＋心相应光谱带峰值波长在448nm和530nm处。二者的吸收带高度重叠，但可以通过测量它们的荧光光谱来区分二者的浓度。

用波长为440nm的蓝光激光器激发LiF晶体样品所测荧光光谱如图1所示。荧光光谱中心位于670nm附近，表明晶体中F2心荧光强度占主要优势。

图1 飞秒光作用前样品的荧光光谱

用钛宝石再生放大器输出的中心波长为800nm，重复频率1KHz，脉宽100fs的激光脉冲聚焦到晶体表面，发现作用部分的颜色由棕红色变为绿色。测得其荧光光谱如图2。

图2 经800nm，1KHz，100fs激光脉冲作用后的荧光光谱

比较图1与图2可以发现在红外飞秒光作用下，晶体中的色心荧光峰值发生了明显的移动，由670nm左右转移到了530nm附近。F2心的荧光强度由开始的最强变得最弱，相反地，F3＋心的荧光强度得到了很大的增强。这与实验过程中晶体颜色的变化是相一致的。也就是说，晶体中发生了色心类型的转变。

2.结果分析

根据文献[17～19]得出的结论，结合上述实验现象，接下来对LiF晶体中F2向F3＋色心转变机理进行简要分析。

文献[18]中提到F2色心在短波长激光脉冲的作用下会发生著名的两步光电离生成不稳定的F2+色心，同时考虑到晶体中存在大量的F心，我们认为F2向F3＋的色心转变包括了如下两个过程:（1）F2色心的两步光电离；（2）色心的复合。

2.1 F2色心的两步光电离

根据文献[18]的结论，F2色心发生两步光电离的几率主要决定于泵浦光束的频率以及泵浦光束的功率密度。相对于实现F2色心光电离的现有的方法而言，实验中使用的1KHz的fs光脉冲，功率密度和频率足以支持F2色心两步光电离过程的实现。

这个过程的产生机制主要是多光子激发。根据文献[18]分析，只有波长短于400nm的两个光子才可以使得F2色心发生两步光电离。由于在本实验中使用的是800nm的近红外光束，双光子能量不足以使得F2色心发生光电离。因此我们考虑，在这个过程中应为四个800nm光子参与了电离反应。

F2色心的两步光电离过程分别为:光激发过程和光电离过程。结合F2色心的能级结构，我们作如下分析:

图3 F2色心两步电离图

（1）激发过程:在这个过程中，F2色心首先吸收两个800nm的光子，这两个光子的能量足以使得F2色心中的一个电子脱离禁带束缚，跃迁到F2色心的激发态F*2

[20]，其物理过程可以写成

（2）电离过程:由于F2色心的自由电子寿命（ns量级）比激光脉冲的光子寿命长，因此在电子跃迁到基态之前，又顺序地吸收两个800nm的光子将其激发到导带，从而转化为F2+色心。

由于F2色心发生两步光电离的中间态是一个真实的能级，因此，两步电离的效率是相当高的，以至于在800nm飞秒激光作用区域F2色心几乎可以完全的转变为F2+色心。

2.2 复合过程

飞秒光脉冲聚焦的焦点处，光强度比较高，热效应很强，此时晶体中的色心是可以移动的，并且F2+色心在室温下很不稳定，因此它会与晶体中大量存在的F心发生如下反应，形成室温下相当稳定的色心。其物理过程表述如下:

3.结论

LiF晶体在低能量1KHz800nm100fs的激光脉冲作用下发生了F2向F3+色心类型转变现象，简要的阐述了发生色心类型转变的物理过程，定性的给出了简明的图像说明。要从理论上定量的分析色心转变发生的几率和过程还需要建立相关的理论模型，这是我们下一步将要进行的工作。

[1]B.Henderson. Crystal Defects.范印哲.UK,79～98

[2]Akselrod Mark S, Akselrod Anna E and Orlov S.S. New aluminum oxide single crystals for volumetric optical data storage, Proceeding of SPIE ,2003,5096:244-251

[3]Akselrod Mark S, Orlov S.S. One－bit recording and fluorescent comfocal readout utilizing aluminum oxide single crystals,Proceeding of SPIE ,2003,5096:252-257

[4]Taiju Tsuboi，Laser oscillation by the F3+and F2－ color centers in LiF crystals，NIM B,2000，166～167:804～808

[5]V. A. Arkhangel’skaya ,P.P.Feofilov.Tunable lasers utilizing color centers in ionic crystals. Sov.J.Quantum Electron.1980,10(6):657～667

[6]吴宏岳.脉冲L i F:F2－色心激光器，应用激光联刊.1990，8（4）:214～217

[7]T.Tsuboi，H.E.Gu，Room-temperaturestable LiF：F3+color-center laser with a two-mirror cavity ,Applied Optics ,1994,33 (6):982～984

[8]张贵芬.L i F:F2色心晶体调Q和色光激光.激光与红外.1994，21（2）:37～39

[9]G.Baldacchini ,E.De Nicola.Optical bands of F2and F3＋centers in LiF.Journal of Physics and Chemistry of Solids.2000,61:21～26

[10]G.Baldacchini ，R.M.Montereal.Energy transfer among color centers in LiF crystals.Eur.Phy.J.D,2001,17:261～264

[11]T.T.Basiev ，A.Ya.Karasik.Aggregate color centers in impurity LiF crystals，Quantum Electromics.2002,32(8):659～662

[12]T.T.Basiev ，I.V.Ermakov.Broadband optical amplifier of IR pulses based on aF2+:LiF crystal. Quantum Electromics.2001,3(5):424～426

[13]T.T.Basiev ，P.G.Zverev.Temporal and spectral characteristics of a tunable LiF:F2-colour-centre crystal laser.Quantum Electromics.1997,27(2):574～578

[14]T.T.Basiev ，I.V.Ermakov.Optical and nonradiative transitions involving triplet states of laser-active F3＋centers in LiF crystals. 1997,27(4):304～308

[15]Radiative and nonradiative processes in the optical cycle of the F3＋centers in LiF.Physical Review B.1996,54(24):508～514

[16]L.F.Mollenauer. U.S.Patent, 1980,4,183,795

[17]顾洪恩，戚蓝.氮分子激光照射增大了L iF:F3＋心浓度.光学学报.1989,4（9）:346-352

[18]王廷籍，张志三. F2心光致电离的研究，光学学报，1982，2（6）:558～563

[19]Lilia Coromato Courrol ，Ricardo Elgul Samad.Color center production by femtosecond pulse laser irradiation in LiF crystals. Optics Express.2004,12(2):288～293

[20]Hong-En Gu, Lan Qi, et.al.Optics Communications ,1989,70(2):141～144

Mechanism Study of the Conversion of Color Center in LiF:F2Using IR Pulse Laser

Yu Juan Department of Electronics and Information Engineering, Xi’an Institute of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China

Based on the experimental observation of the conversion of color centers in LiF:F2 crystal using IR pulse laser. The conversion mechanism of color centers was explained briefly, and image descriptions were also provided qualitatively.

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.14.020

本研究得到西安邮电学院中青年教师科研基金（101-0427）资助

余娟（1980-），女（汉），陕西，研究生，助教。主要从事光电信息处理研究。