Tm3+/Ho3+共掺YAG晶体的光谱研究

孙福军, 杨曦凝,刘艳微

(1.国网黑龙江省电力有限公司, 黑龙江 哈尔滨 150001; 2.黑龙江工程学院 材料与化学工程学院,黑龙江 哈尔滨 150050; 3.黑龙江工程学院 电气与信息工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150050)

Tm3+/Ho3+共掺YAG晶体的光谱研究

孙福军1, 杨曦凝2,刘艳微3

(1.国网黑龙江省电力有限公司, 黑龙江 哈尔滨 150001; 2.黑龙江工程学院 材料与化学工程学院,黑龙江 哈尔滨 150050; 3.黑龙江工程学院 电气与信息工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150050)

研究以800 nm二极管激光器激发Tm3+/Ho3+共掺YAG晶体的上转换发光谱，观察到Tm:1D2-3H6、Tm:1D2-3F4和Ho:5S2-5I8的上转换发光跃迁。测量吸收光谱并应用Judd-Ofelt理论计算分析晶体中Ho3+离子的强度参数Ωt(t=2,4,6)、自发辐射跃迁几率A和积分辐射截面。结果显示：Tm3+/Ho3+共掺YAG晶体中Ho3+离子的5I7-5I8能级跃迁对应2 μm辐射，其具有较长的能级寿命及合适的积分辐射截面，适合用于产生2 μm激光。

Ho3+；Judd-Ofelt理论；2 μm激光

激光器从发明到现在经过了大约有半个多世纪的时间，现如今大量的使用在众多领域包括军事激光、医疗激光、工业激光、激光的科学研究以及娱乐与通信方面。近些年，2 μm固体激光器在光通信、相干激光雷达和医用激光手术刀等方面具有较大应用价值，受到人们的关注。其中，红外2 μm 波段激光器的输出波长处于人眼安全的光谱带，该波段光源处于水分子的吸收峰，可广泛应用于肿瘤切除、牙齿治疗、碎石、术后凝血、关节内窥镜检查等激光医疗手术方面；同时，2 μm波段处于大气窗口，可广泛应用于雷达和大气探测系统，实现气态大气成份(如 CO2、水蒸气)以及有害气体(如甲烷、CO)等气体密度的测量及含量的探测，适时监测地球的健康状况，利用外差技术，2 μm 脉冲激光还可直接用于风速测量，这对于天气预报、暴风雨跟踪、航空燃料效率和航空安全至关重要。除此之外，也可直接应用于材料制造及加工、测距、光电对抗、光通信等方面。同时，高能量2 μm脉冲激光器也是光参量振荡器(OPO)及其放大器的理想泵浦源。Tm3+离子的3F4→3H6跃迁，及Ho3+离子的5I7→5I8能级跃迁能够发出2 μm光。目前，研究热点以Tm3+离子为敏化剂，Ho3+为激活离子的Tm-Ho双掺激光系统发射波长约2 μm的激光辐射[1-6]。本文研究Tm3+/Ho3+共掺YAG晶体的荧光光谱及吸收光谱，Tm3+/Ho3+共掺YAG晶体是一种潜在的2 μm激光器工作物质。

1 实 验

以800 nm半导体二极管激光器发出激光，经透镜聚焦照射到样品表面，样品与光谱仪狭缝平行放置，样品的荧光通过狭缝耦合进入分光光度计，经分光光度计内的光栅分光照射到光电倍增管，光电倍增管连接到数据采集卡，由数据采集卡采集数据后传到电脑，得到荧光光谱，如图1所示。以800 nm半导体二极管激光器激发Tm3+/Ho3+共掺YAG晶体的上转换荧光谱。其中，316 nm为Tm:1D2-3H6的能级跃迁，456 nm为Tm:1D2-3F4的能级跃迁，509 nm为Ho:5S2-5I8的能级跃迁；Ho:5S2-5I8的强度远高于Tm:1D2-3H6和Tm:1D2-3F4，可见，在产生上转换的情况下，Ho:5S2-5I8对上转换产生的贡献要远大于Tm:1D2-3H6和Tm:1D2-3F4。

图1 800 nm激发时Tm3+/Ho3+共掺YAG晶体的上转换荧光光谱

2 计 算

吸收光谱可以给出材料基质和激活离子的激发态能级的位置和他们的分布情况，还能够确定激光晶体的泵浦波长范围。为了更加详细地研究Tm3+/Ho3+共掺YAG晶体的光谱性能(见图2)，用J-O理论进行光谱参数计算。

图2 Tm3+/Ho3+共掺YAG晶体的吸收光谱

根据J-O三参量公式[7-8]，理论电偶极子跃迁强度Sed为

(1)

约化元〈lnΨJ‖U(λ)‖lnΨ′J′〉对基质的变化不明显，可以查询得到[9-10]。

实验振子强度可以由式(2)确定。

Smeas(J→J′)=

(2)

式中：n为反射系数，N0是稀土离子浓度，λm对应吸收带的平均波长，α(λ)为对应波长的吸收系数，c为光速，h为普朗克常数[9-10]。

电偶极跃迁几率为

(3)

电偶极跃迁几率即为荧光自发辐射几率，其正比于荧光强度。

经计算可得

Ω2=5.98×10-20cm2，

Ω4=0.277×10-20cm2，

Ω6=2.54×10-20cm2.

理论计算结果显示，从发射截面看，发射截面越大，越容易发射激光，参照表1，5F4-5I8跃迁应更易于实现激光的产生，从光谱图1中可见，绿光辐射相对较强，但是从图2中所示5F4-5I8跃迁对应的吸收相对很小，泵浦效率相对较低。从荧光寿命看，荧光寿命为自发辐射系数的倒数，能级寿命越长，离子能够停留在该能级时间越长，从而越容易实现粒子数反转，实现激光输出。参照表1，5I7-5I8跃迁为2 μm辐射，其所对应的寿命更长，容易实现2 μm激光输出。因此，由J-O理论计算表面，针对Tm3+/Ho3+共掺YAG晶体中Ho3+离子，541 nm和2 μm辐射适合作为激光输出。

表1 Tm3+/Ho3+共掺YAG晶体中Ho3+离子部分能级间跃迁的自发辐射系数及积分发射截面

3 结束语

本文测量了Tm3+/Ho3+共掺YAG晶体在室温的荧光谱及吸收光谱，以Judd-Ofelt三参量公式计算了Tm3+/Ho3+共掺YAG晶体中Ho3+的强度参数Ωt(t=2, 4, 6)。根据理论计算得到的自发辐射系数及积分发射截面，分析得出5F4-5I8跃迁(541 nm)和5I7-5I8跃迁(2 μm)较为适合作为激光输出。Tm3+/Ho3+共掺YAG晶体是一种较为合适的激光晶体。

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[责任编辑：郝丽英]

Spectroscopic study of Tm3+/Ho3+codoped YAG crystal

SUN Fujun1,YANG Xining2, LIU Yanwei3

(1. Heilongjiang Electric Power Co., Ltd, Harbin 150001 Heilongjiang; 2. College of Materials and Chemical Engineering, Heilongjiang Institute of Technology, Harbin 150050 Heilongjiang; 3. College of Electrical and Information Engineering, Heilongjiang Institute of Technology, Harbin 150050 Heilongjiang)

The luminescent properties of the Tm3+/Ho3+codoped YAG crystal is investigated through excitation by 800 nm diode laser. The transition of Tm:1D2-3H6、Tm:1D2-3F4和Ho:5S2-5I8are observed. The absorption spectrum of Tm3+/Ho3+codoped YAG crystal is measured, and Judd-Ofelt theoretical is used to analyze the three phenomenological intensity parameters Ωt(t=2, 4, 6), the transition probability of the spontaneous radiation and integral radiation cross section of Ho3+ion. Results show the Ho3+ions in Tm3+/Ho3+codoped YAG crystal has longer level lifetime and suitable integral radiation section, which is suitable to produce 2 μm laser.

Ho3+; Judd-Ofelt theory; 2μm laser

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2017.03.011

2017-03-16

黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12541653)

孙福军(1963-)，男，高级工程师，研究方向：电力系统及其自动化.

O433

A

1671-4679(2017)03-0042-02