超强激光科学卓越创新简报

(第五百五十五期)

2024年10月9日

上海光机所在钛宝石激光晶体氢气退火机理研究方面取得进展

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所先进激光与光电功能材料部在钛宝石激光晶体氢气退火机理研究方面取得进展，相关成果以“Experimental and theoretical investigation on the mechanism of hydrogen annealing for Ti:sapphire laser crystal”为题发表于Materials Today Communications。

钛宝石激光晶体是三大基础激光晶体之一，具有大硬度、耐腐蚀、高热导、高损伤阈值、宽带吸收与宽带发射等优良特性，被广泛应用于可调谐激光器、超快激光器及高峰值功率激光装置中。然而，钛宝石晶体中存在的红外残余吸收会对其激光性能产生负面影响，对其进一步应用造成阻碍。

氢气退火是一种降低钛宝石晶体红外残余吸收的有效方法，但该方法的具体作用机理尚未有相关文献报道。在理论层面深入理解氢气退火对钛宝石晶体的作用机理对改进该方法有重要意义。研究团队采用实验与基于密度泛函理论的第一性原理计算相结合的方法，就氢气退火过程对钛宝石晶体光谱特性的影响开展了研究。在实验方面，测试了各钛宝石晶体样品氢气退火前后吸收带与发射带的偏振吸收光谱，归纳讨论了氢气退火对钛宝石晶体因掺杂浓度与偏振方向导致的影响差异。在计算方面，构建了三种在氢气退火过程中存在的缺陷构型，并对三种缺陷构型的形成能、电子及光学性质进行了计算，计算结果证明了三种缺陷构型存在的合理性，得到了氢气退火对不同缺陷构型所产生的影响及影响程度。总结分析实验与计算数据，发现氢气退火对钛宝石晶体的影响是由晶体内部多种缺陷共同作用的结果。这项工作为理解钛宝石氢气退火过程作用机理提供了新的思路，有助于进一步优化钛宝石氢气退火处理的参数与条件。

该工作得到了国家重点研发计划、中国科学院及上海市等项目的支持。

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图1 各钛宝石晶体样品氢气退火前后的偏振吸收光谱

图2 Al₂O₃超胞及氢气退火过程缺陷构型结构图