钆镱共掺杂铝酸钇晶体的生长及性能研究

谭慧瑜,汪 瑞,张沛雄,尹 浩,李 真,陈振强

(暨南大学理工学院,光电工程系，广州 510632)

0 引 言

近年来，超强超短激光在材料科学、激光聚变、激光质子刀治疗癌症等相关领域有大量应用[1]，掺杂Yb3+的激光晶体在超快激光领域的应用背景是十分广泛的，并且，随着在0.9～1.1 μm波段具有高效性能的InGaAs激光二极管的快速发展，1 μm波段的掺Yb3+的固体激光器已经成为超快激光领域的研究热点之一[2-4]。得益于Yb3+能级简单，仅有2F7/2基态和2F5/2激发态两个电子态，具有量子缺陷低、吸收带宽、弱浓度猝灭、量子效率高、热损耗低，且没有交叉弛豫和激发态吸收等众多的优点[5-8]。并且，三价Yb3+的能级结构十分独特，掺杂Yb3+的激光介质在0.9～1.0 μm之间存在强且宽的吸收，对器件温控的要求越低，从而能够有效提高泵浦效率，在1.0～1.1 μm之间呈现宽带发射，利于超短脉冲的输出[9]。

众所周知，YAP(YAlO3)晶体有着优异的力学性能和热性能[10]，被证明是一种良好的激光基质材料[11-12]，基于此，在Yb∶YAP晶体中通过掺入Gd3+，代替部分Y3+，形成混合型的Gd3+/Yb3+∶YAP晶体，增加基质晶体的成分无序化，进一步拓宽掺杂离子Yb3+的吸收及荧光光谱[13-14]。

本文报道了采用提拉法成功地生长出新型混合Gd3+/Yb3+共掺铝酸钇晶体，对晶体的结构、光谱以及激光性能进行研究。

1 实 验

1.1 晶体生长

图1 Gd/Yb∶YAP单晶Fig.1 Gd/Yb∶YAP single crystal

采用传统的提拉法成功生长了Gd/Yb∶YAP激光晶体。采用经典固相反应制备了由5.0%(原子数分数)Yb∶Gd0.1Y0.9AlO3组成的Gd/Yb∶YAP多晶材料。使用纯度均为99.999%的Gd2O3、Al2O3、Y2O3、Yb2O3等原料，将所有配料放置混料机中充分混合均匀，然后将混合物压制成圆块，在马弗炉中烧结至1 200 ℃，烧结15 h后降至室温，将多晶料取出后放到铱坩埚中[15]，在氮气环境中进行晶体生长。转速控制在12～20 r/min之间，提拉速度控制在1～1.2 mm/h[16]。经引晶、缩颈、放肩等径、收尾等阶段后，以15～45 ℃/h的速度将生长好的晶体分阶段式降至室温。冷却至室温后，为消除晶体的色心缺陷，将生长好的晶体放入马弗炉中进行退火处理，退火温度为1 200 ℃，经39 h后，以30 ℃/h的速度降至室温，生长得到的晶体如图1所示。

1.2 性能表征

使用Rigaku Miniflex 600型X射线粉末衍射仪对晶体的结构进行表征[17]，晶体的晶胞参数通过JADE 6.5 软件计算；采用电感耦合等离子体原子发射光谱仪对晶体的杂质含量进行测试；使用Perkin-ElmerUV-Vis-NIR光谱仪测试晶体在900～1 050 nm波段的偏振吸收光谱；980～1 140 nm波段的偏振荧光光谱使用FLSP920荧光光谱仪进行测试，此外还测量了 Yb3+的2F5/2能级寿命。所有测试均在室温下进行。

1.3 激光实验

利用平平直腔对b切向的Gd/Yb∶YAP晶体进行激光实验，实验装置如图2所示，以中心波长为960 nm的半导体激光器作为泵浦源，光纤芯径为100 μm，数值孔径(NA)为0.22，采用光纤耦合输出。泵浦光束通过1∶1的成像透镜系统重新注入晶体，将经铟箔包裹好的Gd/Yb∶YAP晶体安装在铜片上，晶体的尺寸为4 mm×4 mm×3 mm，控制冷水系统恒温在20 ℃，激光腔由全反镜M1和输出耦合镜M2组成，其中，全反镜M1上镀有960 nm高透膜(T>99.5%)和1 020～1 100 nm高反膜(R>99.8%)，输出耦合镜M2在1 020～1 100 nm波段的透过率分别为4%和7%。

图2 二极管泵浦连续波Gd/Yb∶YAP激光器原理图Fig.2 Schematic diagram of diode-pumped continuous wave Gd/Yb∶YAP laser

2 结果与讨论

2.1 XRD与稀土离子掺杂浓度分析

为了确定晶体的结构，对退火后晶体进行研磨，将研磨所得的粉末进行XRD测试，结果如图3所示。与标准卡片对比发现，二者图谱基本吻合，不存在杂相，物相纯度高，Yb掺杂并未对基质的结构造成影响。经过计算，得到晶胞参数为a=0.534 15 nm，b=0.743 31 nm，c=0.521 35 nm。由ICP-AES法测得晶体中Yb3+的浓度为5.65% (1.32×1021ions/cm3)。并由式(1)计算了晶体中Yb3+的有效分凝系数：

Ke=CA/C0

(1)

式中:Ke为掺杂离子的分凝系数；CA表示Yb3+在晶体中的掺杂浓度;C0表示Yb3+在熔体中的初始浓度。通过计算得到Gd/Yb∶YAP晶体中Yb3+的有效分凝系数为1.13，与Yb∶YAP晶体(分凝系数为0.97)相比较[18]，表明Yb3+在Gd3+∶YAP晶体中易于掺杂。

2.2 偏振吸收光谱

对晶体结构很敏感的偏振吸收光谱作了测量，测量方法为在光路中样品的前方放置一尼科耳棱镜。900～1 050 nm波段范围内，Gd/Yb∶YAP晶体沿a、b、c三个偏振方向的吸收光谱如图4所示。可以清楚地看到，不同的偏振方向在1 μm波段附近存在着不同的峰值中心，如果考虑非偏振泵浦光束的话，总共可获得10～15 nm的吸收带宽，晶体对泵浦源热稳定性的要求没有那么高，因此可以有效地减少对温场的依赖以及维持稳定的激光输出。此外，通过公式σ=α/N算出对应的吸收截面，其中α是吸收系数，N是Yb3+在Gd/Yb∶YAP晶体中的浓度。由图4可以看出晶体沿a、b、c三个偏振方向的吸收光谱有两个较高的吸收峰，经过计算，b偏振方向位于980 nm处的吸收截面为2.14×10-20cm2，而c偏振时位于962 nm处的吸收截面为1.32×10-20cm2,与表1中的其他掺Yb的激光晶体相比(如Yb∶YAP、Yb∶YAG、Yb∶GGG、Yb∶CALGO晶体)，Gd/Yb∶YAP晶体拥有较大吸收截面。

图3 Gd/Yb∶YAP的XRD图谱和YAP标准图谱Fig.3 XRD pattern of Gd/Yb∶YAP and YAP standard pattern

图4 Gd/Yb∶YAP晶体沿a、b、c三个偏振方向的吸收光谱Fig.4 Absorption spectra of Gd/Yb∶YAP crystals along the three polarization directions of a, b and c

表1 不同掺Yb激光晶体吸收参数的比较Table 1 Comparison of absorption parameters of different Yb-doped laser crystals

2.3 偏振荧光光谱

图5为Gd/Yb∶YAP晶体在980～1 140 nm波段沿a、b、c三个偏振方向的荧光光谱。在a、b偏振方向，最强发射峰出现在1 044 nm处，而在c偏振方向时，最强发射峰出现在1 008 nm处，值得注意的是，c方向的特征峰比a、b偏振方向的更明显、更强。在1 044 nm处a、b偏振方向的半峰全宽(FWHM)分别为68.5 nm和64 nm,而在1 008 nm处c偏振方向的半峰全宽为66 nm，与表2中的其他掺Yb的激光晶体，如Yb∶YAP(9 nm)、Yb∶YAG(10 nm)、Yb∶GGG(8 nm)相比，Gd/Yb∶YAP晶体拥有较大的发射半峰全宽，在超短脉冲和宽带可调型的激光器中更具有应用前景。然后，基于Fuchtbauere-Ladenburg理论[22]计算了受激发射截面：

(2)

式中：σem为发射截面；n为晶体折射率；I(λ)为发射光谱的强度；τr为辐射寿命；β为荧光分支比。经过计算，在1 008 nm处c偏振方向的发射截面为0.32×10-20cm2，而在1 044 nm处a偏振方向的发射截面为0.35×10-20cm2，b偏振方向的发射截面为0.39×10-20cm2。其他掺Yb3+的激光晶体发射光谱参数如表2所示。

室温下，OPO脉冲激光器激发Gd/Yb∶YAP晶体的荧光衰减曲线为单指数形式，如图6所示，通过单指数拟合得到Yb3+∶2F5/2能级寿命(τm)为1.638 ms。

图5 Gd/Yb∶YAP晶体沿a、b、c三个偏振方向的荧光光谱Fig.5 Fluorescence spectra of Gd/Yb∶YAP crystal along the three polarization directions of a, b and c

图6 Gd/Yb∶YAP晶体2F5/2→2F7/2跃迁的荧光衰减曲线Fig.6 Fluorescence decay curve of Gd/Yb∶YAP crystal 2F5/2→2F7/2 transition

表2 不同掺Yb激光晶体发射光谱参数的比较Table 2 Comparison of emission spectrum parameters of different Yb-doped laser crystals

图7 Gd/Yb∶YAP激光器的输出功率与吸收泵浦功率的关系Fig.7 Relationship between the output power of Gd/Yb∶YAP laser and the power of absorption pump

图8 泵浦功率为5.82 W时，Gd/Yb∶YAP激光器的光谱图Fig.8 Spectral view of a Gd/Yb∶YAP laser at pump power of 5.82 W

2.4 Gd/Yb∶GYAP晶体的激光性能

图7为输出耦合镜透过率分别为T=4%和T=7%时输出功率与泵浦功率的变化关系曲线。当泵浦功率为5.82 W时，最大输出功率为0.51 W。对所得的数据进行拟合后发现：T=4%时，激光阈值为3.75 W，最大输出功率为510 mW，斜率效率为23.5%；T=7%时，激光阈值为4.8 W，最大输出功率为239 mW，斜率效率为20%。由于泵浦有限，没有记录到更高的输出功率。同时，使用光谱仪测试在5.82 W泵浦功率下Gd/Yb∶YAP晶体的激光光谱，如图8所示，发现1 μm波段处有多波长的激光输出，分别位于1 050.03 nm、1 051.38 nm、1 053.00 nm、1 054.62 nm、1 055.97 nm 5个波长处。

3 结 论

本文使用单晶提拉法成功制备出优质的Gd3+/Yb3+共掺铝酸钇晶体。对晶体的结构及偏振光谱进行系统的研究，得到在980 nm处b偏振方向的吸收截面为2.14×10-20cm2，可用于InGaAs 激光二极管泵浦。在1 044 nm处a、b偏振方向的半峰全宽分别为68.5 nm和64 nm，而在1 008 nm处c偏振方向的半峰全宽为66 nm，并且在1 044 nm处b切向的发射截面为0.39×10-20cm2。同时，还对b切向的晶体进行了激光实验，实现了1 μm波段处的连续激光输出，当泵浦功率为5.82 W时，最大输出功率高达0.51 W，斜率效率为23.5%。通过研究晶体的光谱性能和激光性能，表明Gd/Yb∶YAP晶体是一种优良的激光晶体。