LiF:F2晶體在飛秒激光作用下色心轉(zhuǎn)變機(jī)理研究

余娟 西安郵電學(xué)院電子與信息工程系 710121

LiF:F2晶體在飛秒激光作用下色心轉(zhuǎn)變機(jī)理研究

余娟 西安郵電學(xué)院電子與信息工程系 710121

通過實(shí)驗(yàn)觀察到L iF:F2晶體在紅外飛秒激光脈沖作用下發(fā)生色心類型轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，本文對(duì)該晶體發(fā)生色心類型轉(zhuǎn)變的物理過程進(jìn)行了推理并定性地給出了圖像說明。

LiF:F2晶體;紅外;飛秒激光脈沖;色心

LiF:F2crystal; infrared radiation; femtosecond laser pulse; color center

前言

堿金屬鹵化物、堿土金屬氟化物等透明的離子晶體中，電子的導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的帶隙（禁帶）較寬（典型值為9～10ev），從紅外直至紫外波段的各種能量的光子都不足以使價(jià)帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶，因此它們不能被這些晶體所吸收。具有適當(dāng)能量的光子可以使陰離子釋放出電子，同時(shí)產(chǎn)生空穴。但是能量較低的光子不能使陰離子電離，而是把陰離子激發(fā)到較高的受激態(tài)，這些激發(fā)引起價(jià)電子向激子狀態(tài)躍遷，在靠近晶體的基本吸收邊處形成吸收帶。離子晶體中的空位具有有效電荷，在輻射過程中釋放出的空穴和電子，兩者都可被帶適當(dāng)電荷的空位的場(chǎng)俘獲，這被俘電子或電子能吸收某一波段的可見光，從而原來透明的晶體呈現(xiàn)出相應(yīng)的顏色。這種光吸收中心就是色心[1]。

隨著人們對(duì)晶體中色心性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的不斷深入的探索和研究，目前已經(jīng)基本了解了一些常見的簡(jiǎn)單色心的結(jié)構(gòu)和其獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)，尤其是對(duì)F心、F2、F+3心等缺陷類型的特征吸收帶和熒光發(fā)射光譜的研究，使得人們對(duì)色心缺陷的優(yōu)點(diǎn)認(rèn)識(shí)的更加全面，而且也在不斷地尋求各種色心缺陷的利用價(jià)值和空間。目前，色心主要應(yīng)用于高密度信息存儲(chǔ)，制造可調(diào)諧激光器,色心計(jì)量計(jì)等技術(shù)領(lǐng)域[2～8]。

LiF晶體的眾多色心當(dāng)中，F(xiàn)2和F3＋色心一直是人們研究的熱點(diǎn)。這兩種色心的吸收帶高度重迭（吸收峰波長(zhǎng)僅僅相差4nm），用450nm的單色光激發(fā)可產(chǎn)生從淺綠至深紅的相當(dāng)寬的熒光帶。并且LiF晶體擁有在室溫下不易潮解以及F＋3色心的熱穩(wěn)定性等優(yōu)良的光學(xué)性能，在上世紀(jì)末具有F2和F3＋色心的LiF晶體一度成為激光運(yùn)轉(zhuǎn)增益介質(zhì)的研究熱點(diǎn)之一。[9～15]

隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展以及對(duì)晶體中色心性質(zhì)研究的不斷深入，研究人員發(fā)現(xiàn)由輻照著色產(chǎn)生的色心并不是一成不變的，在一定條件的附加輻照著色的激發(fā)下，晶體中的色心類型會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變。這對(duì)于提高晶體某種色心的密度是非常有利的。如L.F.Mollenauer利用F2心在激光處理光速作用下發(fā)生著名的兩步光電離產(chǎn)生F2＋心，產(chǎn)生穩(wěn)定的F2＋心激光輸出，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)申請(qǐng)專利[16]。天津大學(xué)的顧洪恩用氮分子照射LiF:F2晶體產(chǎn)生了F2向F3＋的色心轉(zhuǎn)變[17]。

基于在實(shí)驗(yàn)中觀察到LiF:F2晶體在遠(yuǎn)紅外飛秒激光脈沖作用下發(fā)生色心類型轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象，本文定性地提出了色心轉(zhuǎn)變的機(jī)理。

1.F2向F3＋的色心轉(zhuǎn)變的實(shí)驗(yàn)研究

在L i F晶體中，F(xiàn)2心在峰值波長(zhǎng)445nm和670nm處分別有較寬吸收帶和熒光帶，F(xiàn)3＋心相應(yīng)光譜帶峰值波長(zhǎng)在448nm和530nm處。二者的吸收帶高度重疊，但可以通過測(cè)量它們的熒光光譜來區(qū)分二者的濃度。

用波長(zhǎng)為440nm的藍(lán)光激光器激發(fā)LiF晶體樣品所測(cè)熒光光譜如圖1所示。熒光光譜中心位于670nm附近，表明晶體中F2心熒光強(qiáng)度占主要優(yōu)勢(shì)。

圖1 飛秒光作用前樣品的熒光光譜

用鈦寶石再生放大器輸出的中心波長(zhǎng)為800nm，重復(fù)頻率1KHz，脈寬100fs的激光脈沖聚焦到晶體表面，發(fā)現(xiàn)作用部分的顏色由棕紅色變?yōu)榫G色。測(cè)得其熒光光譜如圖2。

圖2 經(jīng)800nm，1KHz，100fs激光脈沖作用后的熒光光譜

比較圖1與圖2可以發(fā)現(xiàn)在紅外飛秒光作用下，晶體中的色心熒光峰值發(fā)生了明顯的移動(dòng)，由670nm左右轉(zhuǎn)移到了530nm附近。F2心的熒光強(qiáng)度由開始的最強(qiáng)變得最弱，相反地，F(xiàn)3＋心的熒光強(qiáng)度得到了很大的增強(qiáng)。這與實(shí)驗(yàn)過程中晶體顏色的變化是相一致的。也就是說，晶體中發(fā)生了色心類型的轉(zhuǎn)變。

2.結(jié)果分析

根據(jù)文獻(xiàn)[17～19]得出的結(jié)論，結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，接下來對(duì)LiF晶體中F2向F3＋色心轉(zhuǎn)變機(jī)理進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

文獻(xiàn)[18]中提到F2色心在短波長(zhǎng)激光脈沖的作用下會(huì)發(fā)生著名的兩步光電離生成不穩(wěn)定的F2+色心，同時(shí)考慮到晶體中存在大量的F心，我們認(rèn)為F2向F3＋的色心轉(zhuǎn)變包括了如下兩個(gè)過程:（1）F2色心的兩步光電離；（2）色心的復(fù)合。

2.1 F2色心的兩步光電離

根據(jù)文獻(xiàn)[18]的結(jié)論，F(xiàn)2色心發(fā)生兩步光電離的幾率主要決定于泵浦光束的頻率以及泵浦光束的功率密度。相對(duì)于實(shí)現(xiàn)F2色心光電離的現(xiàn)有的方法而言，實(shí)驗(yàn)中使用的1KHz的fs光脈沖，功率密度和頻率足以支持F2色心兩步光電離過程的實(shí)現(xiàn)。

這個(gè)過程的產(chǎn)生機(jī)制主要是多光子激發(fā)。根據(jù)文獻(xiàn)[18]分析，只有波長(zhǎng)短于400nm的兩個(gè)光子才可以使得F2色心發(fā)生兩步光電離。由于在本實(shí)驗(yàn)中使用的是800nm的近紅外光束，雙光子能量不足以使得F2色心發(fā)生光電離。因此我們考慮，在這個(gè)過程中應(yīng)為四個(gè)800nm光子參與了電離反應(yīng)。

F2色心的兩步光電離過程分別為:光激發(fā)過程和光電離過程。結(jié)合F2色心的能級(jí)結(jié)構(gòu)，我們作如下分析:

圖3 F2色心兩步電離圖

（1）激發(fā)過程:在這個(gè)過程中，F(xiàn)2色心首先吸收兩個(gè)800nm的光子，這兩個(gè)光子的能量足以使得F2色心中的一個(gè)電子脫離禁帶束縛，躍遷到F2色心的激發(fā)態(tài)F*2

[20]，其物理過程可以寫成

（2）電離過程:由于F2色心的自由電子壽命（ns量級(jí)）比激光脈沖的光子壽命長(zhǎng)，因此在電子躍遷到基態(tài)之前，又順序地吸收兩個(gè)800nm的光子將其激發(fā)到導(dǎo)帶，從而轉(zhuǎn)化為F2+色心。

由于F2色心發(fā)生兩步光電離的中間態(tài)是一個(gè)真實(shí)的能級(jí)，因此，兩步電離的效率是相當(dāng)高的，以至于在800nm飛秒激光作用區(qū)域F2色心幾乎可以完全的轉(zhuǎn)變?yōu)镕2+色心。

2.2 復(fù)合過程

飛秒光脈沖聚焦的焦點(diǎn)處，光強(qiáng)度比較高，熱效應(yīng)很強(qiáng)，此時(shí)晶體中的色心是可以移動(dòng)的，并且F2+色心在室溫下很不穩(wěn)定，因此它會(huì)與晶體中大量存在的F心發(fā)生如下反應(yīng)，形成室溫下相當(dāng)穩(wěn)定的色心。其物理過程表述如下:

3.結(jié)論

LiF晶體在低能量1KHz800nm100fs的激光脈沖作用下發(fā)生了F2向F3+色心類型轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，簡(jiǎn)要的闡述了發(fā)生色心類型轉(zhuǎn)變的物理過程，定性的給出了簡(jiǎn)明的圖像說明。要從理論上定量的分析色心轉(zhuǎn)變發(fā)生的幾率和過程還需要建立相關(guān)的理論模型，這是我們下一步將要進(jìn)行的工作。

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Mechanism Study of the Conversion of Color Center in LiF:F2Using IR Pulse Laser

Yu Juan Department of Electronics and Information Engineering, Xi’an Institute of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China

Based on the experimental observation of the conversion of color centers in LiF:F2 crystal using IR pulse laser. The conversion mechanism of color centers was explained briefly, and image descriptions were also provided qualitatively.

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.14.020

本研究得到西安郵電學(xué)院中青年教師科研基金（101-0427）資助

余娟（1980-），女（漢），陜西，研究生，助教。主要從事光電信息處理研究。