超強激光科學卓越創(chuàng)新簡報

(第五百五十六期)

2024年10月9日

上海光機所在鏑鐠共摻雜氟化鈰激光晶體研究方面取得進展

近日，中國科學院上海光學精密機械研究所先進激光與光電功能材料部在鏑鐠共摻雜氟化鈰（Dy³⁺,Pr³⁺:CeF₃）激光晶體研究方面取得進展，相關成果以“Optical characteristics and energy transfer analysis of Dy³⁺-Pr³⁺ ions doped in CeF₃ crystal”為題發(fā)表于Journal of Luminescence。

CeF₃晶體具有多種優(yōu)良特性，包括折射率較小、最大聲子能量較低、稀土離子摻雜性好及易于制備與加工等特性，是一種理想的激光基質(zhì)晶體。Pr³⁺是一種具有豐富能級結(jié)構(gòu)的稀土離子，其³P₀能級向下能級的躍遷對應于多個可見波段發(fā)射通道，因此Pr³⁺常被摻雜于各種基質(zhì)中用作可見波段激光發(fā)射的激活離子。然而根據(jù)文獻報道，Ce³⁺與Pr³⁺之間存在的能量傳遞過程會令Pr³⁺從³P₀能級快速弛豫至¹D₂能級，導致Pr³⁺摻雜CeF₃（Pr³⁺:CeF₃）晶體的³P₀能級熒光壽命僅為一百多納秒，這大大增加了利用Pr³⁺：³P₀能級實現(xiàn)可見波段激光輸出的難度。

針對上述問題，研究團隊采用Dy³⁺,Pr³⁺共摻雜方法，延長了Pr³⁺:CeF₃晶體中Pr³⁺：³P₀能級的熒光壽命。實驗結(jié)果表明，通過對Pr³⁺:CeF₃晶體共摻Dy，Pr³⁺：³P₀能級的熒光壽命提高了兩個數(shù)量級，達到～17.91 μs。Dy³⁺與Pr³⁺之間的能量傳遞分析表明，由于Dy³⁺：⁴F_9/2能級能量略高于Pr³⁺：³P₀能級，且其熒光壽命顯著長于Pr³⁺：³P₀能級，在采用藍光LD激發(fā)后，一部分能量儲存在Dy³⁺：⁴F_9/2能級上，當Pr³⁺：³P₀能級上的能量快速消耗時，儲存于Dy³⁺：⁴F_9/2能級的能量通過能級間傳遞轉(zhuǎn)移至Pr³⁺：³P₀能級（Dy³⁺：⁴F_9/2→Pr³⁺：³P₀），由此顯著提高了Pr³⁺：³P₀能級的熒光壽命。以上研究結(jié)果為提高Pr³⁺:CeF₃晶體中Pr³⁺：³P₀能級的發(fā)射性能找到了一種可靠方法，有助于采用Dy³⁺,Pr³⁺:CeF₃晶體實現(xiàn)可見波段激光輸出。

本工作得到了中國科學院、上海市等項目的支持。

原文鏈接

圖1. 通過442 nm激發(fā)，在482 nm處監(jiān)測的Dy³⁺,Pr³⁺:CeF₃晶體熒光衰減曲線

圖2. Dy³⁺-Pr³⁺間能量轉(zhuǎn)移過程示意圖