Fe2＋∶ZnSe激光晶体光学吸收及激光输出性能

夏士兴，张月娟，李兴旺，王永国，莫小刚，申英杰，姚宝权

Fe2＋∶ZnSe激光晶体光学吸收及激光输出性能

夏士兴1，2，张月娟2，李兴旺2，王永国1，2，莫小刚2，申英杰3，姚宝权3

（1.华北光电技术研究所；2.北京雷生强式科技有限责任公司，北京100015；3.哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家重点实验室，哈尔滨150001）

采用热扩散掺杂技术制备了Fe2＋∶ZnSe晶体，测试晶体样品中铁离子浓度达1.27× 1018cm－3。分析了Fe2＋∶ZnSe晶体光谱的光学吸收特性，在室温条件下，采用2.90μm激光器泵浦Fe2＋∶ZnSe晶体，获得了中心波长4.45μm，平均功率67 mW的中红外激光输出。

Fe2＋；ZnSe晶体；离子浓度；光学吸收；激光输出

1 引 言

掺铁硒化锌（Fe2＋∶ZnSe）晶体是一种可由激光器直接泵浦产生中红外（3～5μm）激光输出的激光晶体材料。其荧光寿命为0.3～100μs，波长调谐范围为3.7～5.1μm，且在低温与室温下均可实现中红外激光输出［1－4］，被认为是非常有前途的激光晶体材料之一［5－8］。

本文采用ZnSe晶体为基质材料，FeSe为掺杂物，采用热扩散掺杂技术制备了Fe2＋∶ZnSe晶体。分析了Fe2＋∶ZnSe晶体光学谱的吸收特性，实验测试了Fe2＋∶ZnSe晶体的激光输出性能。

2 实 验

本文中以化学气相沉积（CVD）硒化锌（ZnSe）晶体为基质材料，纯度为99.998%的硒化亚铁（FeSe）粉末为掺杂物，通过热扩散掺杂技术制备了Fe2＋∶ZnSe晶体。图1是采用热扩散掺杂技术制备的Fe2＋∶ZnSe晶体照片。由图1中可以看出，制备的Fe2＋∶ZnSe晶体呈深棕黄色，色泽均匀，晶体尺寸达Φ22 mm×2 mm。

采用Perkin Elmer型号Lambda900的UV／VIS／NIR Spectrometer和BRUKER型号EQUINOX55的红外光谱仪测试了Fe2＋∶ZnSe晶体的红外透过光谱。采用二次离子质谱仪（SIMS）测试了热扩散掺杂技术制备的Fe2＋∶ZnSe晶体样品中铁离子掺杂浓度。采用2.90μm激光器为泵浦源抽运Fe2＋∶ZnSe晶体，测试了Fe2＋∶ZnSe晶体的激光输出性能。

图1 Fe2＋∶ZnSe晶体照片Fig1 Photo of Fe2＋∶ZnSe crystal

3 结果与讨论

图2是热扩散掺杂前基质ZnSe晶体与热扩散掺杂后Fe2＋∶ZnSe晶体的红外透过率对照谱图。

图2 ZnSe晶体与Fe2＋∶ZnSe晶体的透过谱Fig.2 Transmission spectrum of ZnSe and Fe2＋∶ZnSe crystal

由图2中可以看出，热扩散掺杂后Fe2＋∶ZnSe晶体的透过率略小热扩散掺杂前基质ZnSe晶体的透过率，制得的Fe2＋∶ZnSe晶体在2.9μm附近出现了明显的Fe2＋离子特征宽带吸收，吸收峰宽度为2.2～5.3μm。

由于2.5～3.0μm波段范围是Fe2＋∶ZnSe晶体泵浦源激光器主要工作波段，本文深入分析Fe2＋∶ZnSe晶体在的此波段范围内的红外透过谱图。本文选取了两块热扩散掺杂制得的Fe2＋∶ZnSe晶体和一块ZnSe晶体对其红外透过谱进行了分析。两块Fe2＋∶ZnSe晶体的编号分别为1＃和2＃，其中1＃（Fe2＋∶ZnSe）晶体样品中铁离子掺杂浓度达9.13× 1017cm－3，2＃（Fe2＋∶ZnSe）激光晶体样品中铁离子掺杂浓度达1.27×1018cm－3。

图3是选取的两块热扩散掺杂制得的Fe2＋∶ZnSe晶体和ZnSe晶体在1.8～3.0μm波段范围红外透过谱。由图3中可以看出，1＃和2＃（Fe2＋∶ZnSe）晶体在2.2～3.0μm波段范围内相对ZnSe晶体出现了较大的吸收，这部分吸收是Fe2＋离子特征吸收的一部分，且2＃（Fe2＋∶ZnSe）晶体的吸收强度略大于1＃（Fe2＋∶ZnSe）晶体的吸收强度。

图3 ZnSe与Fe2＋∶ZnSe晶体的2.2～3.0μm波段透过谱Fig.3 Transmission spectrum of ZnSe and Fe2＋∶ZnSe crystal at2.2～3.0μm

分析图3中1.8～3.0μm波段范围内的光学吸收，除了Fe2＋离子特征吸收外，可能还有Fe3＋离子引起的Zn2＋离子的空位缺陷吸收，Fe2＋／Fe3＋离子的共同存在使Fe2＋∶ZnSe晶体光谱在1.8～3.0μm波段范围内的吸收强度增加，且随着铁离子掺杂浓度的增大，1.8～3.0μm波段范围内的吸收强度也在增加。

研究过程中发现，随着铁离子掺杂浓度的增大，Fe2＋∶ZnSe晶体在近红外区的吸收也在增大。图4是ZnSe与Fe2＋∶ZnSe晶体在0.45～0.6μm波段范围内的透过谱。由图4可以看出，Fe2＋∶ZnSe晶体紫外吸收边相对ZnSe晶体紫外吸收边发生了红移，且随铁离子掺杂浓度的增大，吸收边红移越趋明显，图4中表现为铁离子掺杂浓度较高的2＃（Fe2＋∶ZnSe）晶体的吸收边红移趋势比1＃（Fe2＋∶ZnSe）晶体的吸收边红移趋势明显。分析发生红移的原因，主要是由于制备的Fe2＋∶ZnSe晶体是以ZnSe晶体为基质材料，在ZnSe晶体中掺杂的Fe2＋离子相对于ZnSe晶体中格点位置上的Zn2＋离子被Fe2＋离子取代，使ZnSe晶体发生了空位缺陷VFeZn，正是空位缺陷VFeZn的存在，使Fe2＋∶ZnSe晶体紫外吸收边相对ZnSe晶体紫外吸收边发生了红移，且随铁离子掺杂浓度的增大，吸收边红移越趋明显。

图4 0.45～0.6μm波段范围内ZnSe与Fe2＋∶ZnSe晶体的透过谱Fig.4 Transmission spectrum of ZnSe and Fe2＋∶ZnSe crystal at0.45～0.6μm

切取尺寸为4 mm×4 mm×2 mm的Fe2＋∶ZnSe晶体样品，精细抛光后，在晶体样品两侧镀增透膜。采用波长2.90μm重复频率1 kHz的泵浦源激光器抽运Fe2＋∶ZnSe晶体，当泵浦源平均功率输出1.4 W时，获得了中心波长4.45μm，脉冲宽度25 ns，平均功率67 mW的中红外激光输出。图5是Fe2＋∶ZnSe晶体样品激光输出波长调谐范围。

图5 调谐波长Fig.5 Tuning wavelength

4 结 论

采用热扩散掺杂技术获得了光学性能较好的Fe2＋∶ZnSe晶体，制得的Fe2＋∶ZnSe晶体中铁离子掺杂浓度达1.27×1018cm－3；该晶体样品在2.9μm附近出现了明显的Fe2＋离子特征宽带吸收，吸收峰宽度由2.2μm至5.3μm；Fe2＋∶ZnSe晶体紫外吸收边相对ZnSe晶体紫外吸收边发生了红移，且随铁离子掺杂浓度的增大，吸收边红移越趋明显；室温条件下，Fe2＋∶ZnSe晶体实现了中心波长4.45μm，平均功率67 mW的中红外激光输出。

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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

夏士兴（1972－），男，博士，高级工程师。主要从事红外非线光学材料制备与光学性能研究。E-mail：xiashixing＠oet.com.cn

2013-11-26