Nd_YbVO_4晶体的拉曼光谱和荧光光谱研究

Aj =
1 6 Xj (R) 3 X (R)
g R ∈G
其中 , g为群的阶数 , X (R )是对称操作 R 在可约表示中的特征标 , Xj ( R )是对称操作 R 在第 j个不可约表示
的特征标可得出第 j个不可约表示出现的次数 ,即第 j个不可约表示对称性的晶格振动模的数目 ,结果如下 :
1332
人 工 晶 体 学 报
第 37卷
Γ = 5A1g + 2A1u + 2A2g + 7A2u + 7B 1g + 2 B 1u + 2B 2g + 5B 2u + 10Eg + 10Eg 根据 D4h的特征标表 ,从理论上讲能观察到 34支拉曼光学模 :Γ = 5 A1g + 7B 1g + 2B 2g + 10Eg ,将晶轴与
a
re
Ω 2
= 6.
88945 ×10220
cm2 ,Ω4
= 4.
13394 ×
10220
cm2
and
Ω 6
= 4.
54503
×10220
cm2.
The radiative lifetime of 4 F3 /2 is 178. 69 μs, branching ratio at
1062 nm is 48. 85% , differential stimulated 2em ission cro ss section is 2. 7867 10218 cm2. From the
2 样品制备与实验配置
实验所用的 Nd: YbVO4 晶体是由山东大学晶体材料国家重点实验室提供 ,掺杂浓度为 1 %原子分数 ,沿 X, Y, Z 轴切割为 4. 2 ×3. 98 ×5. 42 mm3 的长方体 ,定向精度小于 1 ’,表面抛光为光学平面 。拉曼光谱是由 Jasco公司生产的 Ventuno21型 NRS21000DT共聚焦显微拉曼光谱仪来测量的 ,采用波长为 532 nm ,功率为 30 mw的绿光激光器作为光源 ,入射激光聚焦直径为 2μm , ,散射光由 CCD 系统收集和处理 ,谱线分辨率为 0. 15 cm21 ,精度为 1 cm21 ,实验时采用背向散射收集散射光 。吸收光谱所用的仪器为 Jasco V570 UV /V IS /N IR 型分光光度计 ,其分辨率在紫外可见部分为 0. 1 nm ,近红外部分为 0. 5 nm ,扫描速度为 100 nm /m in,缝宽 3. 0 nm ,入射沿晶体的 [ 010 ]方向 。808 nm 激发的荧光光谱采用英国 Edinburgh公司的 FS920系列荧光光谱 仪 ,光源为 450 W 的氙灯 ,激发与发射单色仪的分辨率为 0. 05～18 nm ,采用 InGaA s探测器和单光子计数操 作模式 ,可探测范围为 190～1700 nm ,信噪比为 6000: 1。940 nm 激发的荧光光谱采用法国 Jobin2Yvon Spex 公司生产的 TR IAX 550荧光光谱仪 ,泵浦源是波长为 940 nm 的半导体二极管激光器 ,光谱测试范围分别为 950～1600 nm ,荧光信号的观测和记录用日本东芝公司的 V 21050F 100MHz型示波器 。
4. Institute of Op tics and Fine Mechanics, Chinese Acadamy of Sciences, Shanghai 201800, China) ( R eceived 23 Janua ry 2008, accepted 13 M arch 2008)
第 6期
金 晶等 : Nd: YbVO4 晶体的拉曼光谱和荧光光谱研究
1331
tran sfe r
1 引 言
自 1961年首次观察到 Nd3 +离子在 CaWO4 晶体中的激光运转以来 , Nd3 + 离子由于其丰富的离子能级 , 且其 808 nm 的吸收峰与泵浦源的泵浦波长相匹配 ,以及较大的吸收和发射截面的特性 ,成为激光晶体中普 遍使用的激活离子 [ 1 ] 。Nd3 +离子掺杂到不同的钒酸盐基质晶体中 ,其中 Nd: YVO4 晶体已经成为商用中小 型激光器的主要材料 ,而 Nd: GdVO4 晶体更适用于高功率 LD 泵浦的固体激光器 。据报道 ,用激光二极管泵 浦 1 mm 厚的晶体 ,得到超过 1W 的 1060 nm 的激光输出 ,泵浦阈值为 20 mW [ 2 ] 。近几年 ,受激拉曼散射的有 了一定的发展 ,由于钒酸根离子基团中 A1g振动模最高频率的拉曼峰具有高强度 、窄宽度的特点 , YVO4 、 GdVO4 和 YbVO4 晶体被认为是一种在可见光和红外光区有效的拉曼激光转换器 [ 3, 4 ] 。 Kam inskii等人在测 得 YbVO4 晶体 A1g对称类 897 cm21处半峰宽为 5. 6 cm21的基础上估计了在波长为 1064 nm 的激光激发下其一 阶 stocks的稳态拉曼增益为 2. 9cm / GW [ 4 ] 。在这样的拉曼频移晶体中掺入稀土离子 ,如 Nd3 + 、Yb3 +离子 ,可 以实现自拉曼受激振荡 。如用 808 nm 激光泵浦 Nd: GdVO4 晶体 ,可得到以 1065 nm 为基频的一阶 stocks的 波长为 1175. 6 nm 的拉曼激光 [ 5 ] 。同时 ,由于 N d3 +离子 4 F3 /2能级与 Yb3 +离子 2 F5 /2能级很接近 ,而使 N d3 +离 子与 Yb3 +离子很容易发生能量传递 ,M. Robinson等人就在 Nd: Yb: CaF2 晶体中观察到了 1. 0336μm的 Yb3 + 离子的激光发射 [6 ] 。Nd: YbVO4 晶体是一种新型的激光晶体 ,是有易于加工 、化学性质稳定 ,以及良好的光 学均匀性和热学特性 [7 ] 。本文的研究结果不仅完备了对掺稀土离子钒酸盐晶体的光学性能认识 ,而且为下 一步的激光特性和受激拉曼散射研究打下基础 。
fluorescent spectra excited by 808 nm and 940 nm , the Nd→Yb and Nd←Yb energy transfer have been
ob se rved.
Key words:Nd: YbVO4 crystal; polarized Raman spectra; absorp tion spectra; fluorescent spectra; energy
3 结果与讨论
3. 1 空间群分析及拉曼光谱
Nd: YbVO4 晶体属于锆石类晶体 ,四方晶系 ,点群为 D4h ,空间群为 I41 / am d,一个原胞内含有 4个分子 ,
共有 24个原子 , 72个基本晶格振动模式 。根据国际结晶学表中对称操作的俯视图和相关信息 [8 ]得出第一
布里渊区中心 Γ点空间群 I41 / am d的可约表示 ,并结合点群 D4h对称操作在 Γ中的特征标表 ,利用公式
观察到了 Nd→Yb以及 Nd←Yb间的能量传递现象 。
关键词 : Nd: YbVO4 晶体 ;极化拉曼光谱 ;吸收光谱 ;荧光光谱 ;能量传递
中图分类号 : O78
文献标识码 : A
文章编号 : 10002985X (2008) 0621330207
Raman Spectroscopy and Fluorescen t Spectra Investiga tion of Nd:Y bVO4 Crysta l
the frequency corresponding Ram an2active vibration mode w ith different scattering geom etry have been
signed. The absorp tion spectra were measured at room temperature and the full w idth at half maxim um of
金 晶 1 ,夏海瑞 1, 2 ,孙尚倩 1 ,冉栋刚 1 ,刘凤芹 1 ,毕文婕 1 ,张怀金 2, 3 ,程 艳 4
(1. 山东大学物理学院 ,济南 250100; 2. 山东大学晶体材料国家重点实验室 , 济南 250100; 3. 山东大学晶体材料研究所 ,济南 250100; 4. 中国科学院上海光学精密机械研究所 ,上海 201800)
收稿日期 : 2008201223;修订日期 : 2008203213 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (No. 10274043) ;山东大学晶体材料国家重点实验室开放课题资助 作者简介 :金晶 (19822) ,女 ,山东省人 ,硕士 。 E2mail: jingjingonly@ hotmail. com
摘要 :用群论的方法计算了 Nd: YbVO4 晶体的拉曼活性振动模数目 ,在室温下测得了其极化拉曼谱线 ,并指认了在 不同几何配置下 ,各振动模式所对应的频率 。同时 ,测得了室温下晶体的吸收谱 ,得到了中心波长为 808 nm 吸收
峰的半高宽为
12
nm ,并在
J2O理论的基础上计算了晶体的光学参数 ,其三个晶场参数分别为
J IN J ing1 , X IA Ha i2ru i1, 2 , SUN S hang2qian1 , RAN D ong2gang1 , L IU Feng2qin1 , B I W en2jie1 , ZHAN G Hua i2jin2, 3 , CHEN G Yan4
( 1. School of Physics, Shandong University, J inan 250100, China; 2. State Key Laboratory of Crystal Materials, Shandong University, J inan 250100, China; 3. Institute of Crystal Materials, Shandong University, J inan 250100, China;
absorp tion peak at central wavelength of 808 nm is 12 nm. Based on the Judd2Ofelt theory, the three
intensity parameters have
ห้องสมุดไป่ตู้
been
ca lcu la ted
and
the
re su lts
Ω 2
= 6.
88945
×10220
cm2、Ω4 = 4. 13394 ×10220 cm2、Ω6 = 4. 54503 ×10220 cm2 ,并由此得到 4 F3/2能级的荧光寿命为 178. 69 μs, 1062 nm 处
的荧光分支比为 48. 85% ,积分发射截面为 2. 7867 10218 cm2。分别在 808 nm、940 nm 激发下测得晶体室温发射谱 ,
Abstract: The number of Raman2active vibration mode for Nd: YbVO4 crystal has been calculated according to group theory. The polarized Raman spectra have been measured at room temperature, and
固定于空间的坐标轴一致 ,得到拉曼张量的矩阵 [ 9 ] :
a00
c00
0 d0
A1g : 0 a 0 B 1g : 0 2c 0 B2g : d 0 0
00b
000
000
00 e
000
Eg : 0 0 0 + 0 0 e
e00
0 e0
由此 ,可以通过各种几何配置观察到对应的简正振动模 ,具体如下
第 37卷 第 6期 人 工 晶 体 学 报 Vol. 37 No. 6
2008年 12月
JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS December, 2008
Nd :Y bVO4 晶体的拉曼光谱和荧光光谱研究