近日，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所微納光電子功能材料實(shí)驗(yàn)室激光晶體研究團(tuán)隊(duì)采用基于密度泛函理論的第一性原理方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)影響鈦寶石激光發(fā)射效率的關(guān)鍵問(wèn)題——?dú)堄嗉t外吸收的理論突破，提出雙機(jī)制主導(dǎo)殘余紅外吸收的理論，相關(guān)研究成果已正式發(fā)表在《光子學(xué)研究》(Photonics Research)。

鈦寶石（Ti: sapphire）是三大基礎(chǔ)激光晶體之一，具有優(yōu)異的物化、光譜和激光性能，是超強(qiáng)超快激光裝置的核心關(guān)鍵材料之一。自從1982年鈦寶石晶體激光性能被報(bào)道以來(lái)，與激光發(fā)射帶重合的殘余紅外吸收一直是影響其激光發(fā)射效率的關(guān)鍵問(wèn)題，因此，確定殘余紅外吸收的起源是鈦寶石激光晶體研究的重要課題之一。

該研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)Al₂O₃晶體結(jié)構(gòu)中AlO₆八面體的接觸條件，定義并構(gòu)建了4種Ti³⁺-Ti³⁺ 離子對(duì)模型和3種Ti⁴⁺-Ti³⁺ 離子對(duì)模型，利用密度泛函理論計(jì)算了包含各種缺陷模型的鈦寶石晶體的電子光學(xué)性質(zhì)，首次通過(guò)理論計(jì)算獲得了與實(shí)驗(yàn)相符的近紅外吸收光譜，提出了由線(xiàn)接觸Ti³⁺-Ti³⁺ 離子對(duì)和面接觸Ti⁴⁺-Ti³⁺離子對(duì)共同主導(dǎo)殘余紅外吸收的理論，成功地解釋了殘余紅外吸收的退火特性、摻雜濃度依賴(lài)特性以及偏振特性。該研究工作實(shí)現(xiàn)了對(duì)影響鈦寶石晶體激光發(fā)射效率關(guān)鍵問(wèn)題的理論溯源和突破，不僅對(duì)鈦寶石激光晶體的研究發(fā)展具有重要意義，也為篩選新型無(wú)殘余紅外吸收的鈦摻雜激光晶體提供了思路。

Fig.1. (a) Al₂O₃ 超晶胞， (b) 4 種 Ti³⁺-Ti³⁺ 離子對(duì)模型， (c) 3Ti⁴⁺-V_Al^3- 模型，(d)~(f) 3種 Ti³⁺-3Ti⁴⁺-VAl^3- 模型。

Fig.2 線(xiàn)接觸Ti³⁺-Ti³⁺ 離子對(duì)模型和面接觸Ti⁴⁺-Ti³⁺ 離子對(duì)模型的電子光學(xué)性質(zhì)。

該研究工作得到了中科院先導(dǎo)B、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和上海市科委的支持。

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