Er/Yb双掺杂Li6Y(BO3)3晶体的偏振光谱性能

赵玉伟，解 莹

(1河北科技师范学院物理系，2河北科技师范学院分析测试中心，河北秦皇岛，066004)

Er3+离子的4I13/2→4I15/2跃迁能够产生1 550 nm波段的光，此波段的光由于对人眼安全，大气传输性能好，可以制成对人眼安全的激光测距仪;此外，1 550 nm波段的光位于石英光纤的最低衰耗窗口，通过在光纤中掺入Er3+离子作为激光离子制成的掺铒光纤放大器(Erbium-doped Fiber Amplifier，EDFA)，已经广泛地应用于光纤通讯中［1～5］。但由于Er3+离子在900～1 000 nm处的吸收较弱而高浓度掺杂又会带来诸如浓度猝灭和辐射陷阱等问题，常用的解决方法是掺入Yb3+离子，因为Yb3+离子只有2个能级，且能级间距为10 000 cm－1，恰好与InGaAs激光器的输出波长相对应［6～10］。Li6Y(BO3)3(以下简称LYB)晶体属于硼酸盐晶体，具有较好的物理化学性能，同时声子能量相对较高，利于Er3+离子的4I11/2能级的粒子快速驰豫到4I13/2能级，从而抑制了上转换的发生，这些特点有利于1 550 nm附近的激光输出。Er单掺LYB晶体由于较大的发射截面和较宽的发射带，被认为是一种潜在的可应用于调谐或超短脉冲激光的介质［11］。对Yb3+离子掺杂LYB晶体的光谱性能和激光测试也表明其是短脉冲激光的优秀介质［12，13］。然而，到目前为止，还没有Er/Yb双掺杂LYB晶体的光谱性能的报道。笔者采用提拉法生长得到了Er/Yb双掺杂的LYB晶体，在室温下记录了晶体的偏振吸收和发射光谱，测定了1 030 nm和1 535 nm处的荧光衰减曲线。

1 实验方法

Er/Yb双掺杂的LYB晶体由提拉法生长得到，具体过程参见文献［14］。1块4.62×4.62×6.04 mm3晶体被定向切割，每个面都平行于晶体的1条折射率主轴，所有面都经过抛光以满足光谱测试的要求。晶体中Er3+和Yb3+离子的格位浓度经ICP-AES方法测定分别为0.95×1020cm－3和0.78×1020cm－3。

LYB晶体的吸收光谱的测量是在Perkin-Elmer公司的Lambda 900型分光光度计上进行的。扫描范围为300～1 700 nm，扫描速度为60 nm/min，光谱精度为1.0 nm。荧光光谱的测量使用的仪器为英国Edinburgh公司的FL920分光光度计，激发波长为969 nm，扫描波长为1 400～1 700 nm。1 535 nm和1 030 nm处的荧光衰减曲线的测量中，采取的激发光源为英国Edinburgh公司F900型微秒氙灯，激发波长分别为977 nm和940 nm，探测装置为日本Hamamatsu公司的R5509型近红外光电倍增管。所有的光谱测试均在室温下进行。

2 结果与分析

2.1 偏振吸收谱

图1所示为Er/Yb双掺杂LYB晶体的室温偏振吸收光谱。共有10个吸收谱带被探测到，除去900～1 100 nm波段吸收谱带外，其它9个谱带分别对应Er3+离子4I15/2基态能级到4G9/2+2K15/2+2G7/2，4G11/2，2H9/2，4F5/2+4F3/2，4F7/2，2H11/2+4S3/2，4F9/2，4I9/2，4I13/2激发态能级的吸收跃迁。需要特别注意的是，最强的两个峰出现在377 nm和520 nm，分别对应4I15/2→4G11/2和4I15/2→2H11/2跃迁。这两个跃迁被认为是超敏跃迁，属于电四级-电四级跃迁。在900～1 100 nm波段，由于Er3+离子的4I15/2→4I11/2的吸收谱带与Yb3+离子的2F7/2→2F5/2的吸收谱带重叠，而且由于Yb3+离子在这个谱带的吸收较强，所以在双掺杂晶体中，这个谱带的谱线强度非常强。在此波段，吸收系数的最大峰值均出现在968 nm处。在E//X，E//Y，E//Z 等3 个方向上分别为 1.23，1.24，1.24 cm－1，而 1.01 ×1020cm－3Er3+离子浓度下单掺杂 LYB 晶体［14］在此波长的吸收系数分别为0.30，0.26，0.21 cm－1。与 Er3+离子单掺杂 LYB 晶体相比，900～1 100 nm处的吸收系数显著增大，这表明Yb3+离子的引入提高了对此波段光的吸收，可使In-GaAs泵浦Er3+离子激光更有效。

2.2 偏振发射谱和荧光衰减曲线

图2表示室温下的偏振发射光谱。从图中可以看出，在E//X，E//Y，E//Z等3个方向上最强发射峰分别出现在1 536.5，1 534.5，1 537.5 nm。发射光谱表现为1 450～1 650 nm宽达200 nm的宽带发射，可与商用的Er掺杂ZBLAN玻璃相比拟，表明Er/Yb掺杂LYB晶体可用于可调谐或超短脉冲激光。

图3表示1 030 nm处的荧光衰减曲线。由于存在Yb3+和Er3+离子之间的能量传递，1 030 nm处的衰减曲线不再遵循单指数规律，Yb3+离子2F5/2能级的荧光寿命可由下式计算得到

其中I0为t=0处的荧光强度。Yb3+离子的2F5/2能级的寿命经计算为447 μs。Yb3+与Er3+离子之间的能量传递效率可由下式计算得到

其中 τ0为Yb3+离子单掺 LYB 晶体的2F5/2能级的寿命，约为1 100 μs［12］。这样，Yb3+与 Er3+离子之间的能量传递效率约为59%。

图4表示1 535 nm处的荧光衰减曲线。此处衰减符合单指数规律，经拟合，Er3+离子4I13/2能级的寿命为550 μs。与 Er3+单掺 LYB 晶体［11］相比(448 μs)，能级寿命增长，这可能是由于 Yb3+与 Er3+离子之间的能量传递减缓了Er3+离子4I13/2能级的衰减。

图1 室温下Er/Yb双掺杂LYB晶体的偏振吸收光谱

图3 室温下Er/Yb双掺杂LYB晶体在1 030 nm处的荧光衰减曲线，激发波长为940 nm

图4 室温下Er/Yb双掺杂LYB晶体在1 535 nm处的 荧光衰减曲线，激发波长为977 nm

3 结 论

由提拉法生长得到了Er/Yb双掺杂的Li6Y(BO3)3晶体，测定了室温下的偏振吸收和发射光谱，Yb3+离子2F5/2能级的寿命为447 μs，Yb3+与Er3+离子之间的能量传递效率约为59%，在1 550 nm波长附近宽达200 nm的宽带发射以及Yb3+与Er3+离子之间有效的能量传递表明Er/Yb双掺杂的Li6Y(BO3)3晶体是一种潜在的可用于可调谐及超短脉冲激光的介质。

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图2 室温下Er/Yb双掺杂LYB晶体的偏振发射光谱，激发波长为969 nm

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(责任编辑:朱宝昌)