介紹：
本文對摻鉻硫化鋅(Cr:ZnS)、摻鉻硒化鋅(Cr:ZnSe)和摻鐵硒化鋅(Fe:ZnSe)三種激光晶體進行了比較研究。我們的目標(biāo)是闡明它們的特性、相似點、差異、發(fā)射波長的可調(diào)性、輸出功率以及它們在中紅外應(yīng)用中的潛在用途。通過徹底分析它們各自的優(yōu)點和缺點，我們渴望找到最有效的中紅外激光技術(shù)材料。
第一節(jié) 激光晶體簡介
1.1 Cr：ZnS簡介
鉻摻雜硫化鋅 (Cr: ZnS) 是一種有效的中紅外激光晶體。由于其寬帶隙性質(zhì)，它表現(xiàn)出從 1.9 至 3.6 μm 的超寬增益譜。Cr:ZnS 以其優(yōu)異的導(dǎo)熱性、廣泛的可調(diào)性和高輸出功率而聞名。這些屬性使其成為高效增益介質(zhì)，非常適合環(huán)境傳感和醫(yī)療診斷等各種應(yīng)用，特別是在以高功率和廣泛的可調(diào)性為先決條件的情況下。
1.2 Cr：ZnSe簡介
摻鉻硒化鋅 (Cr: ZnSe) 是一種主動中紅外激光晶體，能夠在 2-3 μm 區(qū)域產(chǎn)生激光。Cr:ZnSe 具有高量子效率和卓越的晶體質(zhì)量，還擁有寬廣的調(diào)諧范圍和顯著的輸出功率。盡管由于能隙較小，其工作范圍比 Cr: ZnS 稍窄，但 Cr: ZnSe 仍然是各種應(yīng)用的強大選擇。其高性能和晶體質(zhì)量使其在極端功率并不重要但廣泛的可調(diào)性和晶體質(zhì)量至關(guān)重要的情況下特別有價值。
1.3Fe：ZnSe簡介
摻鐵硒化鋅 (Fe: ZnSe) 是一種創(chuàng)新激光晶體，其獨特之處在于其中紅外可調(diào)諧激光發(fā)射范圍為 3.5 至 5 μm。盡管與 Cr: ZnS 和 Cr: ZnSe 相比，其量子效率相對較低，但 Fe: ZnSe 更寬的發(fā)射范圍使其與眾不同。這種廣泛的操作范圍可滿足各種應(yīng)用的需求，使其特別適合需要廣泛可調(diào)范圍的任務(wù)，例如檢測發(fā)射光譜內(nèi)吸收線的氣體，即使其輸出功率略低。
第二節(jié) 代表性特征比較
2.1 發(fā)射波長
相似之處：
Cr: ZnS、Cr: ZnSe 和 Fe: ZnSe 都是在中紅外區(qū)域發(fā)射光的激光晶體，這使得它們非常適合從醫(yī)療診斷到環(huán)境傳感的各種應(yīng)用。它們在該區(qū)域內(nèi)共同發(fā)射的能力是一個重要特征，因為中紅外光為眾多應(yīng)用提供了明顯的優(yōu)勢，特別是與光譜學(xué)和傳感相關(guān)的應(yīng)用。
差異：
然而，這些晶體的確切發(fā)射波長顯示出明顯的差異。Cr: ZnS 具有 1.9 至 3.6 μm 的超寬增益譜，該范圍主要由 ZnS 主體的寬帶隙性質(zhì)決定。這種寬帶隙允許的能態(tài)有助于其寬發(fā)射光譜。
相反，Cr:ZnSe 的工作范圍稍窄，在 2 至 3 μm 范圍內(nèi)發(fā)射激光。與 ZnS 相比，這種范圍稍微受限的原因是 ZnSe 固有的能隙更小，這限制了可用的能態(tài)，從而限制了發(fā)射光譜。
相比之下，F(xiàn)e:ZnSe 提供三者中最寬的中紅外發(fā)射范圍，從 3.5 μm 延伸到 5 μm。這種更寬的光譜是鐵作為摻雜劑的獨特性質(zhì)和晶體較低的量子效率的結(jié)果。盡管效率較低，但更寬的發(fā)射光譜使 Fe:ZnSe 在特定應(yīng)用中具有明顯的優(yōu)勢，特別是那些需要廣泛工作范圍的應(yīng)用。
2.2可調(diào)性
相似之處
Cr: ZnS、Cr: ZnSe 和 Fe: ZnSe 都表現(xiàn)出可調(diào)諧性的基本特征，這意味著它們可以在給定范圍內(nèi)調(diào)整其發(fā)射波長。這一特性使得這些激光晶體能夠根據(jù)特定要求進行定制，從而提供靈活性來滿足從傳感到醫(yī)療診斷等各種應(yīng)用的不同需求。
差異
然而，這種可調(diào)性的程度在三種晶體之間存在差異。Cr:ZnS 由于其寬帶隙而具有極其廣泛的可調(diào)性，允許多種過渡態(tài)和較大的發(fā)射波長范圍。這種廣泛的可調(diào)性使其適用于各種應(yīng)用，特別是那些需要覆蓋寬光譜范圍的應(yīng)用。
相比之下，Cr:ZnSe 的可調(diào)范圍稍窄。與 ZnS 相比，ZnSe 的帶隙較小，限制了其可用的能量過渡態(tài)，從而限制了其與 Cr: ZnS 相比的可調(diào)性。盡管如此，它的可調(diào)性仍然令人印象深刻并且非常適合許多應(yīng)用。
Fe: ZnSe 在三者中具有最廣泛的可調(diào)性，范圍從 3.5 到 5 μm。這種寬可調(diào)性源于其寬帶隙和鐵作為摻雜劑的獨特性質(zhì)。盡管其量子效率相對低于其他兩種晶體，但其巨大的可調(diào)范圍使其特別適合需要廣泛操作范圍的應(yīng)用，例如遙感和某些光譜應(yīng)用。
2.3輸出功率
相似之處
在考慮輸出功率時，Cr:ZnS、Cr:ZnSe 和 Fe:ZnSe 均提供高輸出功率，證明了它們產(chǎn)生強激光發(fā)射的能力。這些晶體擁有的強大輸出功率對于需要高功率激光源的某些應(yīng)用至關(guān)重要，例如工業(yè)材料加工或高分辨率光譜學(xué)。
差異
不過，三者在輸出功率方面存在著顯著差異。Cr: ZnS 具有最高的輸出功率。其廣泛的可調(diào)性和寬的能隙，加上卓越的導(dǎo)熱性，使該晶體能夠保持高輸出功率，使其非常適合需要在寬光譜范圍內(nèi)強烈激光發(fā)射的應(yīng)用。
Cr: ZnSe 雖然也提供高輸出功率，但其功率稍弱于 Cr: ZnS。這主要是由于其能隙較小，從而導(dǎo)致可用能態(tài)數(shù)量減少，從而導(dǎo)致輸出功率較低。盡管如此，其高量子效率有助于平衡這一點，維持其整體性能并仍然使其對許多應(yīng)用有效。
最后，F(xiàn)e: ZnSe 雖然具有最廣泛的可調(diào)性，但與 Cr: ZnS 和 Cr: ZnSe 相比，輸出功率略低。較低的功率輸出可歸因于其較低的量子效率。盡管如此，其卓越的可調(diào)性可以彌補其在寬工作范圍至關(guān)重要的應(yīng)用中較低的功率，從而鞏固其在特定應(yīng)用中的作用。
第三節(jié)中紅外應(yīng)用的異同
中紅外應(yīng)用的相似之處
Cr: ZnS、Cr: ZnSe 和 Fe: ZnSe 都在中紅外應(yīng)用中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，因為它們都具有在該波長范圍內(nèi)發(fā)光的共同能力。它們在環(huán)境傳感、醫(yī)療診斷和材料加工等廣泛應(yīng)用中至關(guān)重要。它們對于光譜應(yīng)用特別有效，其中利用中紅外光根據(jù)其獨特的吸收光譜來識別和測量不同的物質(zhì)。此外，這些晶體的可調(diào)諧性允許用戶調(diào)整發(fā)射波長，從而為每個應(yīng)用提供量身定制的方法，并在單個設(shè)置中促進各種任務(wù)。
中紅外應(yīng)用的差異
盡管 Cr: ZnS、Cr: ZnSe 和 Fe: ZnSe 在中紅外范圍內(nèi)具有相同的功能，但它們在不同的應(yīng)用場景中表現(xiàn)出獨特的效用，這主要是由于它們的發(fā)射波長、可調(diào)諧性和輸出功率的特性。
Cr: ZnS 以其超寬的可調(diào)性和高輸出功率而脫穎而出。其發(fā)射光譜范圍廣泛，使其能夠用于需要寬工作波長的應(yīng)用，例如寬帶光譜和自由空間通信。此外，其高輸出功率使其非常適合需要高功率激光發(fā)射的工業(yè)應(yīng)用，例如激光加工和材料加工。
相比之下，Cr:ZnSe 具有較窄的發(fā)射波長范圍和較低的輸出功率，在可能不需要最廣泛的可調(diào)性或最高功率但需要高效性能和晶體質(zhì)量之間的平衡的應(yīng)用中找到了自己的利基。例如，它的使用非常適合醫(yī)療診斷（激光源的精度和可靠性至關(guān)重要）或化學(xué)傳感（其光譜范圍與許多分子吸收線一致）。
Fe: ZnSe 以其長波長發(fā)射而著稱，可達 5 μm。這一功能與其廣泛的可調(diào)性相結(jié)合，使其特別適合于擴展工作范圍比高功率更重要的任務(wù)。其寬廣的發(fā)射光譜使其在遙感等應(yīng)用中表現(xiàn)出色，尤其是在檢測光譜內(nèi)具有吸收線的物質(zhì)方面。此外，它還可用于與氣候變化相關(guān)的專門光譜應(yīng)用和研究，其中廣泛的可調(diào)性可以揭示有關(guān)大氣氣體的關(guān)鍵信息。
結(jié)論：
總之，Cr:ZnS、Cr:ZnSe 和 Fe:ZnSe 作為中紅外激光晶體，由于其獨特的發(fā)射波長、可調(diào)諧性和輸出功率，在各種應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。雖然它們具有在中紅外范圍內(nèi)發(fā)射的共同屬性，但具體的操作特性各不相同，使得每種晶體更適合某些應(yīng)用。Cr: ZnS 在需要高功率和廣泛可調(diào)性的場景中表現(xiàn)出色，Cr: ZnSe 是需要平衡和晶體質(zhì)量的理想選擇，而 Fe: ZnSe 是需要擴展工作范圍的應(yīng)用的首選。這些激光晶體憑借各自的優(yōu)勢和特點，不斷推動從工業(yè)加工到環(huán)境傳感和醫(yī)療診斷等領(lǐng)域的技術(shù)進步。
參考：
[1]Evgeni Sorokin,NA Tolstik,KI Schaffers,Irina T. Sorokina飛秒芝麻鎖模Cr:ZnS激光器[J].2012.12
常見問題解答：
- 1. 什么是Cr:ZnS？
- Cr: ZnS（鉻摻雜硫化鋅）是一種用于激光器的晶體，因為它在中紅外波長范圍內(nèi)具有廣泛的發(fā)射能力。
- 2. 什么是Cr:ZnSe？
- Cr: ZnSe（摻鉻硒化鋅）是一種發(fā)射中紅外光譜光的激光晶體，可用于各種應(yīng)用。
- 3.什么是Fe:ZnSe？
- Fe: ZnSe（鐵摻雜硒化鋅）是一種激光晶體，以其在中紅外光譜中的寬發(fā)射范圍而聞名。
- 4. 他們表現(xiàn)出優(yōu)越性的特征是什么？
- Cr: ZnS 在需要高功率和廣泛可調(diào)性的場景中表現(xiàn)出色，Cr: ZnSe 是需要平衡和晶體質(zhì)量的理想選擇，而 Fe: ZnSe 是需要擴展工作范圍的應(yīng)用的首選。
- 5. 中紅外應(yīng)用如何選擇？
- 在為中紅外應(yīng)用選擇晶體時，應(yīng)考慮發(fā)射波長范圍、可調(diào)諧性、輸出功率和特定應(yīng)用要求等因素。每種晶體（Cr: ZnS、Cr: ZnSe 和 Fe: ZnSe）都有其優(yōu)點和特性，因此選擇最合適的晶體取決于所需的發(fā)射范圍、可調(diào)性要求、功率需求以及當(dāng)前應(yīng)用的具體要求。
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