钛宝石晶体残余红外吸收形成机理研究

Face the demand of high quality titanium doped sapphire (Ti:sapphire) laser crystal in ultraintense & ultrashort pulsed laser device with petawatt level, this project plans to research the formation mechanism of residual infrared absorption in Ti:sapphire which shows the key effect on crystal quality. Electronic structure and theoretical optical properties of Ti:sapphire under different point defect models, including energy band, density of states, energy loss and absorption spectra etc., will be simulated by first principle calculations. The fine spectra characterization experiments of Ti:sapphire (such as ICP, Raman, IR, absorption), and optimization control of crystal preparation by use of domestic and foreign advanced HEM, TGT method will also be carried out. Combined with simulated calculation and experimental verification, the microstructural factors (point defect) and their effect on residual infrared absorption in Ti:sapphire can be analysized systematically, and finally the formation mechanism of such absorption in Ti:sapphire would be clarified. The research achievements of this project is expected to be used in optimization of preparation process and quality of Ti:sapphire crystal, and that is important significance to promote the development of key materials in ultraintense & ultrashort pulsed laser device.

面向拍瓦级超强超短脉冲激光装置对优质钛宝石激光晶体的需求，本项目拟开展对晶体品质有关键影响的残余红外吸收的形成机理研究。利用第一性原理模拟计算不同点缺陷模型下钛宝石晶体的电子结构/光学性质（能带、态密度、理论吸收、能量损失谱等），结合晶体精细光谱表征（ICP、Raman、IR、吸收等）实验，运用国内外先进的HEM、TGT等制备方法优化调控钛宝石的制备，从模拟计算和实验验证两方面综合分析引起残余红外吸收的微观结构因素（点缺陷），解析这些结构因素对该吸收的影响过程，从而阐明其形成机理。项目研究成果有望用于指导优化晶体制备工艺，提高钛宝石晶体品质，对推动国家超强超短脉冲激光器件中关键核心材料的发展有重要意义。

钛宝石晶体具有宽带吸收（400 nm~650 nm）、宽带发射（600 nm~1050 nm）、高热导率的特性，是大型超强超短激光器中的核心增益介质，其品质影响激光输出效能。钛宝石晶体的品质因数与800nm附近的残余红外吸收直接相关，通过开展残余红外吸收形成机理的解析工作，将为优化晶体制备技术减小残余吸收提供理论指导，最终实现晶体品质提升。. 基于上述背景，项目开展了以下研究：（1）基于不同掺杂浓度的钛宝石晶体，建立点缺陷晶体结构模型，开展晶体第一性原理模拟计算，研究不同模型下的理论性能参量，从晶体结构层面分析残余红外吸收的诱因。（2）针对与残余红外吸收相关的点缺陷，利用提拉法、热交换法生长制备了不同掺杂浓度的钛宝石晶体样品。研究了晶体不同气氛条件下退火处理对光谱性能的影响，从实验层面上验证残余红外吸收理论分析结果。（3）在对钛宝石晶体进行光谱研究，特别是重点分析近红外波段的晶体光谱基础上，建立残余吸收的精确表征方法。（4）开展了将残余红外吸收形成机理的解析结果用于指导实际晶体生长的研究工作，研制出Φ235mm×72mm高品质的钛宝石晶体。. 通过研究，确定了钛宝石晶体800nm附近的残余红外吸收主要有两种结构所致：①+3和+4价的Ti离子团聚结构：在该结构模型中，当Ti3+和Ti4+互换位置，即发生(Ti3+,Ti4+)→(Ti4+,Ti3+)电荷迁移态跃迁，吸收能量约1.5eV左右，波长~826nm。②Ti4+离子和VO空位的团聚结构（即[Ti4+,(VO)+]或[Ti4+,(VO)]团聚，晶体中存在(VAl)3-并进行电荷补偿）：当发生[Ti4+, (VO)]→[Ti3+, (VO)+) 及[Ti4+, (VO)+]→[Ti3+, (VO)2+]的电荷迁移态跃迁，吸收能量在1.1 - 1.6 eV 范围，波长775nm~1127nm。基于残余吸收的解析，指导生长获得大尺寸高品质钛宝石晶体，并成功应用于上海超强超短激光实验装置（SULF），实现最高峰值功率10.3拍瓦的放大输出。. 项目执行发表标注资助号的论文7篇，申请专利1件，培养博士后出站人员1名，参加有关学术会议并作口头报告2次。