中红外（2-5 m）波段激光因同时位于“大气窗口区”和“分子指纹区”，在大气遥感、光谱学分析、医疗诊断、光通讯及直接红外对抗等领域具有重要的应用价值。在实现中红外激光输出的多种手段中，基于过渡金属离子掺杂的II-VI化合物(TM²⁺:II-VI)增益材料的固体激光器，具有超宽带调谐、高量子效率等优势，是最具发展潜力的高功率、高能量中红外激光器。此外，Cr²⁺/Fe²⁺:II-VI等材料还是常用的中红外被动调Q激光器的可饱和吸收体，由于无激发态吸收，其理论品质因子(FOM值)无限大。陶瓷制备方法可以避免TM:ZnS/ZnSe中掺杂剂与基质在高温下的共熔，能实现掺杂离子的均匀分布，易于实现结构设计进行更好的热管理。另外，陶瓷具有更优异的力学性能和抗热震性，制备工艺简单、成本低、可大规模生产等优点。

不同气体分子在红外波段的特征吸收

Cr:ZnS用于激光输出的实验装置示意图

1. 热扩散法制备Cr²⁺:ZnS/ZnSe多晶材料

采用典型的热扩散法，制备了高光学质量的Cr:ZnS/ZnSe多晶材料。以热扩散法制备的Cr:ZnSe作为增益介质，成功实现了室温下最高功率418mW，斜率效率12.8%的连续激光输出，并利用CaF₂棱镜实现了2211-2702 nm的调谐输出。以Cr:ZnS作为被动调Q的可饱和吸收体，在Ho:YAG、Ho:LuAG、Ho:LuVO₄以及Ho:YLF等激光器中应用，成功实现了窄脉宽、高功率的PQS激光输出。

热扩散法示意图：(左)金属薄膜表面沉积扩散；(右)气相扩散

采用沉积扩散法制备Cr,Fe离子掺杂的ZnS/ZnSe样品

  

热扩散Cr:ZnS多晶横截面的Cr元素分布及拟合结果

Cr²⁺:ZnSe连续激光输出特性

Cr:ZnS用于被动调Q技术Ho:YAG陶瓷激光器：(a)输出功率及(b)脉冲能量

2. TM²⁺:ZnS粉体制备及陶瓷烧结

为获得均匀掺杂的TM²⁺:ZnS材料，采用湿化学法进行TM²⁺:ZnS粉体合成，通过热压烧结结合热等静压后处理制备了透明陶瓷。采用优选的沉淀法合成了ZnS纳米粉体，通过优化烧结温度制备了高光学质量的ZnS透明陶瓷，2-5 m波段透过率高于55%，在5-13 m波段透过率高于70%；合成了Fe²⁺:ZnS纳米粉体并热压烧结了透明陶瓷，Fe²⁺离子掺杂浓度约为9.66 10¹⁸/cm³，透过率为~45%@2.0 m和~70%@5.0 m，这是目前已知的光学质量最优的热压Fe²⁺:ZnS透明陶瓷。

沉淀法合成的ZnS纳米粉体的FESEM图片

热压ZnS陶瓷中六方相的(0001)极图

 

不同温度热压烧结的ZnS透明陶瓷的EBSD显微形貌

  

热压Fe²⁺:ZnS陶瓷的透过率曲线 热压Fe²⁺:ZnS陶瓷的吸收光谱（⁵E ⁵T₂）