钛宝石激光晶体近紫外和可见光区吸收特性的起源研究方面取得新进展

掺钛α-Al₂O₃单晶(也称钛宝石)是一种十分重要的激光晶体材料，同时也是一类超强、超快和可调谐激光装置中的核心关键材料。自从1982年钛宝石的激光特性被报道以来，钛宝石光学吸收带中存在的一些可疑吸收现象的起源问题一直是人们关注和研究的重点内容之一。根据波长分布，这些可疑的吸收带可以大致分为三个区域：峰值位于390 nm附近的近紫外吸收带；存在多峰构型和小隆起的可见吸收带；以及与激光发射带重合的残余红外吸收带。

中科瑞晶/上海光机所研究团队采用基于密度泛函理论的第一性原理方法，通过对掺钛α-Al₂O₃的晶体结构和其内可能存在的点缺陷类型的深入分析，较为全面地考查了单钛掺杂模型（包含置换Ti³⁺和间隙Ti³⁺）和多种钛离子对模型（包括Ti³⁺-Ti³⁺和Ti⁴⁺-Ti³⁺离子对模型）的电子和光学性质。对单钛掺杂模型的研究表明，当间隙Ti³⁺附近存在Al空位时，间隙Ti³⁺将通过结构弛豫进入Al空位，最终形成与置换型Ti³⁺等价的缺陷，而置换型Ti³⁺离子与Al³⁺离子之间的电荷转移则是产生近紫外吸收带的主要原因，计算得到的吸收光谱与实验光谱具有较高的一致性；对钛离子对模型的研究则表明，线接触型Ti³⁺-Ti³⁺、面接触型Ti³⁺-Ti³⁺和点接触型Ti⁴⁺-Ti³⁺离子对可能是导致可见吸收带出现多峰构型和小隆起的主要原因。此外，该研究团队还从配位场理论和热激活的角度对可见吸收带的多峰构型和小隆起给出了更全面的认识。

更多信息参见//doi.org/10.1016/j.mtcomm.2021.102506