一种激光增益材料的制备方法以及这种介质的使用包括步骤：通过脉冲激光沉积或等离子溅射生长晶体后，引入一过渡金属，优选在ＺｎＳ晶体面上具有可控制厚度的Ｃｒ↑［２＋］薄膜；在能提供晶体体积中最高的掺杂物浓度而不使激光器的性能由于散射和浓度猝熄而降低的一定的温度和作用时间内将晶体热退火，以使掺杂物有效地热扩散进入晶体体积中；通过在Ｃｒ∶ＺｎＳ晶片的扁平和平行面上直接沉积反射镜，或通过依靠这些面的内部反射而形成微芯片激光器。增益材料对微芯片激光器使用直流二极管或光纤激光器泵激是很敏感的，该种泵激具有能形成正透镜、相应的空腔谐振器稳定状态和在激光材料中临界粒子数反转的功率密度水平。激光器材料的多种应用在本发明专利技术中被构思。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及量子电子学领域，尤其涉及激光技术的原理性基础，并能用于研制可调中红外(Mid-IR)固态激光器。主要地，当要求用在中红外光谱范围内可调的单频激光发射来解决科学和技术不同领域内的问题(例如激光光谱仪、微量气体分析、光电化学、光电生物学、医药和特殊波长的军事应用等)的情况下，可使用本专利技术。对于可应用于各种用途的、价格适中的中红外源的需求正在日益增加，所述应用包括大气感测(全球的风的感测和低海拔高度的风的切力的检测)、用于非侵害性医学诊断的、对眼睛无损伤的医学激光源，对眼睛无损伤的激光雷达和对大气成分的遥感、光通信和大量的诸如目标标定、故障排除和红外线对抗措施等的军事应用。这些应用依赖于大量有机分子在中红外范围内存在有“光谱学指纹”。最近的研究进程已激励了相当可观的努力来发展实用的中红外光源。这些努力已包括在使用InAsSbP/InAsSb/InAs的半导体中和在量子级联激光器中直接产生中红外波长。也可以利用光参量振荡器和差频发生器中的非线性特性来产生中红外波长。所有这些方法均可以得到可调的中红外光源，但它们都遇到了限制其作为坚固耐用的低成本中红外源的某些基本原理上的问题。而且，至今为止，所有这些光源都具有有限的输出功率，从而使它们不能在诸如遥感等高功率应用中被使用。与使用上述方法进行了相对多的研究形成对比的是，对于由放置在宽能隙二元和混合三元II-VI半导体晶体的不对称(Td)晶格处的二价过渡金属离子(TM2+)产生直接振荡的可能性所进行的研究一直是很少的。缺乏对铬掺杂(或其他过渡金属掺杂)光源在中红外直接发射的研究有一个主要原因。长波长的横磁波(TM)发射经常会被传统的激光器基片介质(例如氧化物和氟化物晶体)中的多光子过程所猝熄，从而导致发射荧光的极低的室温量子效率。最近，有关于用Cr:ZnS6，7，8，9，10、Cr:ZnSe6，7，11，12，13，14，15，16，17，18、Cr:Cd1-xMnxTe19、Cr:CdSe20和Fe2+:ZnSe21晶体在大约2～4μm波长的中红外激光发射的报道。这些掺杂过渡金属(TM)的II-VI化合物具有宽的能带隙，并拥有将它们与其他氧化物和氟化物激光晶体区别开来的几个重要特征。第一个特征是存在着用以替代Zn2+或Cd2+基质离子的、不需要电荷补偿的、化学上稳定的二价过渡金属(TM)掺杂剂离子。II-VI化合物的另外的特征是它们倾向于以四面体场结构进行结晶。与位于掺杂物所在点的典型的八面体场结构相反的是，四面体场结构给出较小的晶体场分裂，可将掺杂物的跃迁进一步向红外推进。最后，这些材料的一个关键特征在于差的声子能谱，这使得它们在很宽的光谱范围内是透明的，减少了非辐射衰减率，从而可以在室温下提高荧光发射的效率。就其高的平均功率应用上的优点而言，已知某些硫族化物(例如ZnS和ZnSe)具有优异的热机械性能，它们具有与热机械性能稳定的材料(如YAG晶体)相当的抗热冲击性能和比之更优秀的热传导系数。以其吸引人的热机械性能和TM2+的光谱性能，迭加上Cr2+吸收发射铒(Er)铥(Tm)光纤激光器以及染色层InGaAsP/InP及InGaNAs/GaAs(理论上)二极管激光器，可以认为，直接被光纤或二极管泵激的、掺杂以过渡金属(TM)离子的宽带半导体晶体是可用于医学、遥感、微量气体分析和高功率波长的特殊军事应用的非常有前景和有效的系统。对掺杂过渡金属(TM2+)离子的II-VI材料的研究表明就其光谱和激光性能而言，这些介质非常接近掺钛蓝宝石(Ti-S)的中红外类似物。可以预料，类似于Ti-S激光器，在不远的将来，掺杂过渡金属(TM2+)离子的硫属化物，将能够以多种多样可能的振荡方式发射激光，并且具有可用InGaAsP或InGaNAs二极管阵列的辐射直接泵激的附加的重要优点。在最近的2至7年中，包括本专利技术人在内的几个小组，已经积极探索了用于在连续波、自激长脉冲、Q开关和锁模工作方式下可调谐激光发射的相类似的过渡金属离子(TM2+)晶体基质。到目前为止，利用Cr2+:ZnSe晶体所得到的最令人印象深刻的结果是室温下运行，大于60％的激光发射效率，输出功率3.7W，大于1000nm的波长可调范围。基于这些结果，看来掺杂Cr的ZnS和ZnSe晶体拥有了技术上、热机械上的、光谱上的以及激光特性上的独特的组合，这种组合使得它们成为潜在的低成本、价格适中的中红外线激光源。但是，在对TM2+:II-VI材料的这些光谱的和激光的研究中，并没有迹象表明微芯片激光器和芯片大小的集成激光器能以掺杂过渡金属(TM)II-VI基质为基础进行设计。除了任何激光发射介质必须的标准要素外，微芯片激光发射还需要几个特殊的要素。这些附加的要素是激活材料薄层(通常小于1～2μm)具有高的光密度和高的增益，这些附加要素可以释义为高的吸收和辐射横截面并结合以高的激活离子掺杂水平，但在这个水平上仍然没有发射荧光的浓度猝熄和基质材料的光学质量的退化。在现有技术中同样未知的是“空间分散”的空腔谐振器的设计，用来实现从单频到极宽频带、工作在多线方式范围内的可容易地再设计的、灵活的激光器模块。美国专利No.5,461,635和6,236,666指教了基于在单一激光空腔谐振器内不同波长空间分离的超宽带(SBL)或多波长系统22，23，24，25的方法。空腔谐振器的光学组件在半导体芯片的激发区保持了明显的增益通道，减少了交叉干扰，抑制了模式竞争，并强迫每一个通道在特定的稳定了的波长上发射激光。通过适当地设计这种空腔谐振器的结构，系统产生出自己的微空腔谐振器，每一个微空腔谐振器在激光发射材料的整个增益光谱段的不同波长上发出激光。从对普通激光器空腔谐振器内产生的激光波长加以控制的观点看，系统是理想的，并且能够得到非常小的并且可以控制的波长间隔。该方法实现了一种激光器的结构，这种激光器发射多条狭窄的光谱线，这些光谱线能够在增益介质的放大光谱内很容易地被修整成任何事先设定的光谱组成。该方法已经在实验室条件下演示出三十条谱线的发射，而且其稳定性和测得的线宽大小是非常令人鼓舞的。用于遥感的传统可调激光系统只适用于对单一元件的分析。被提议的简单、灵活并易于重新设计的激光器模块为同步的多组分气体示踪分析提供了新的可能。看来，掺杂过渡金属(TM)的II-VI基质，尤其是以具有宽的放大光谱为特征的掺铬ZnS和ZnSe晶体，是用于超宽带和多线激光发射的理想激光发射介质。最后，在先技术一直没有提供在一个组合了激光发射介质、声光或电光调制器、滤波器、空腔谐振器的其它无源组件(如波导光栅)或双折射滤波器的集成微芯片系统中，II-VI晶体的声光、电光、光折射和双折射特性的使用。
技术实现思路
本专利技术构思了一种新的种类的基于过渡金属(TM2+＝Ti，V，Cr，Mn，Fe，Co，Ni和Cu)掺杂的、公式为MeZ的二价II-VI晶体的中红外微芯片激光器，公式中Me可以是Zn，Cd，Ca，Mg，Sr，Ba，Hg，Pb，而Z可以是S，Se，Te，O和它们的混合物，Z也可以是公式为MeX2Z4，X为Ga，In，Al的混合的三元硫族化合物基质。本专利技术的一个特殊实施例是基于掺铬(Cr2+)的ZnS，ZnSe，CdS和CdSe晶体的微芯片激光器。这种本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种构建并使用过渡金属掺杂的激光介质的方法，其特征在于包括以下步骤：ａ．形成足够厚度的晶体用于作为微芯片激光发射材料，该晶体选自ＭｅＸ２Ｚ４和ＭｅＺ的结构，其中Ｍｅ选自由Ｚｎ，Ｃｄ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｈｇ和Ｐｂ组成的集合；Ｚ选 自由Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅ，Ｏ和它们的混合物组成的集合；以及Ｘ选自由Ｇａ，Ｉｎ和Ａｌ组成的集合；ｂ．以选自由脉冲激光沉积、阴极电弧沉积和等离子溅射方法组成的集合中的一种方法，在所述晶体的相对面上沉积一过渡金属薄膜层；ｃ．在足以使得所 述晶体在其选定的区域内通过过渡金属扩散和置换实现掺杂的一定温度下和一定时间内，将所述晶体在一炉子中退火。
【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：瑟奇B麦伦夫，弗拉蒂迈尔V费德罗夫，
申请(专利权)人：阿拉巴玛州立大学伯明翰研究基金会，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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