Progrès de la recherche sur les cristaux laser dans l'infrarouge moyen - Partie 05

1. 3 cristaux laser 2 ~ 3 μm dopés au Cr ²⁺

La luminescence dans l'infrarouge moyen des ions de métaux de transition (Ni ²⁺, Co²⁺, Cr²⁺, Fe²⁺, etc.) est basé sur 3d→Transitions 3D. Selon les différents types de sites occupés par les ions de métaux de transition dans le matériau hôte, ils peuvent être divisés en deux catégories : occupant des sites octaédriques à symétrie d'inversion (tels que : Ni²⁺, Co2 ⁺halogénures dopés); Sites tétraédriques symétriques (tels que : Ni ²⁺, Co²⁺, Cr ²⁺, Fe²⁺composés II-VI dopés). Parmi eux, les ions de métaux de transition occupant le site octaédrique, en raison de l'influence de la symétrie d'inversion du site, la transition dipolaire électrique est partiellement interdite, par conséquent, elle montre une force d'oscillateur plus faible et une durée de vie plus longue, et une absorption d'état excité sérieuse, généralement besoin de fonctionner à basse température. Cependant, les ions de métaux de transition occupant des sites tétraédriques ont une force d'oscillateur élevée et des durées de vie courtes car les sites n'ont pas de symétrie d'inversion. Dans le même temps, en raison de la force de champ cristallin relativement faible du site tétraédrique, la division du niveau d'énergie des ions de métaux de transition dans ce site est relativement faible, de sorte qu'une luminescence infrarouge moyen à plus longue longueur d'onde peut être obtenue. De plus, l'énergie des phonons des matériaux semi-conducteurs II-VI est extrêmement faible (par exemple, l'énergie des phonons du ZnSe est de 250 cm ^-1), ce qui réduit considérablement la probabilité de transition non radiative et améliore l'efficacité quantique de fluorescence. Semblable au saphir de titane, il a généralement une très grande section efficace d'émissionp_dans  (10 ^{-18 cm2}). En raison des avantages uniques mentionnés ci-dessus, les matériaux semi-conducteurs II-VI dopés aux ions de métal de transition, en particulier binaires (ZnSe, ZnS, CdSe, CdS, ZnTe) et ternaires (CdMnTe, CdZnTe, ZnSSe) dopés avec Cr²⁺ou Fe ²⁺cLes cristaux d'halcogénure sont actuellement le point chaud de la recherche sur les matériaux laser infrarouge moyen dopés aux ions de métaux de transition. Cr²⁺-cristaux laser dopés dans les 2~3mm bande sont généralement pompés par fibre Tm ou résonance laser à l'état solide. En 2015, Mirov a utilisé un laser à fibre Tm pour pomper par résonance des cristaux Cr:ZnSe afin d'obtenir une puissance laser continue de 30 W et une efficacité de pente de 50 %.

Le couplage spin-orbite et l'effet Jahn-Teller favorisent davantage la séparation des niveaux d'énergie, couplés au fort couplage électron-phonon, qui élargit considérablement la largeur spectrale de Cr ²⁺ et Fe2 ⁺ , et augmente le décalage de Stokes entre le spectre d'absorption et le spectre d'émission.  C'est à cause des facteurs ci-dessus que Cr ²⁺ , Fe ²⁺ les cristaux et céramiques dopés du groupe II-VI deviennent d'excellents matériaux laser infrarouge moyen accordables et ultrarapides de 2 ~ 5 μm . En 2015, Mirov a obtenu une sortie laser ultrarapide à verrouillage de mode Cr:ZnSe avec une longueur d'onde maximale de 2 à 3 μm , une puissance de sortie maximale de 1 GW et une largeur d'impulsion inférieure à 44 fs.

La principale tendance à l'avenir : semblable au saphir de titane, Cr ²⁺ les cristaux laser dopés dans la bande 2~3 μ m ont généralement une très grande section efficace d'émission σ _em (10 ^-18 cm ² ), mais la durée de vie du niveau d'énergie supérieur est courte (fs), ce qui n'est pas propice au stockage d'énergie. Le développement de lasers ultra-courts et ultra-intenses avec une puissance de crête plus élevée est sa principale direction.