Er掺杂CGA晶体的生长及浓度优化研究
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成三明治微型激光器,利用 976 nm LD 泵浦,实现了最大输出功率为 1. 17 W、斜率效率为 33% 的1 543 nm连
续激光输出和能量为 6. 1 μJ、持续时间为 12. 6 ns 的被动调 Q 脉冲激光。 2016 年,Gorbachenya 等 [33] 利用
976 nm LD 泵浦 Er3 + , Yb3 + ∶GdAl3 ( BO3 ) 晶体,获得了最大输出功率为 1. 7 W、斜率效率为 36% 的 1 550 nm
因而限制了其高功率激光的实现。 因此非均匀加宽机制成为关键的光谱加宽途径,而无序晶体属于典型的
非均匀谱宽的激光工作介质。 CaGdAlO4 ( CGA) 晶体属四方晶系,空间群 I4 / mmm,具备电荷无序和阳离子键
长无序的多重无序性,是性能更为突出的无序晶体 [38-41] 。 目前,Yb3 + 掺杂的 CGA 晶体在高功率激光及超快
关键词:1. 5 ~ 1. 7 μm 近红外激光;Er∶CGA 晶体;激光加热基座法;光学性能;全固态激光器;增益介质
中图分类号:O782
文献标志码:A
文章编号:1000-985X(2023)07-1325-10
Growth and Concentration Optimization of Er-Doped CGA Crystals
人 工 晶 体 学 报
第 52 卷 第 7 期
2023 年 7 月
JOURNAL
OF
SYNTHETIC
CRYSTALS
Vol. 52 No. 7
July,2023
Er 掺杂 CGA 晶体的生长及浓度优化研究
李 琳1,2 ,谭慧瑜1,2 ,郑为比1,2 ,谭俊成1,2 ,李 真1,2 ,张沛雄1,2 ,陈振强1,2
Er3 + , Yb3 + ∶Ca2 Al2 SiO7 晶体,在室温下实现 1 555 nm 连续激光输出,其最大输出功率为 0. 275 W,斜率效率
为 9. 8% 。 2015 年,Chen 等 [ 32] 通过将两个蓝宝石晶体和一个 Er3 + , Yb3 + ∶ LuAl3 ( BO3 ) 4 晶体紧压在一起,制
连续激光输出,同时在 1 550 nm 处获得了能量为 18. 7 μJ、持续时间为 12 ns、重复频率为 32 kHz 的 Q 开关脉
冲激光。 2018 年,Gong 等 [34] 利用 976 nm LD 泵浦 Er3 + , Yb3 + , Ce3 + ∶Ca3 NbGa3 Si2 O14 晶体,在室温条件下获
激光技术在不同领域的应用需求 [8-12] 。 而激光晶体可作为全固态激光器的激光增益介质之一 [13-21] ,因而探
索光学性能优良的新型稀土离子掺杂型激光晶体材料具有十分重要的研究意义。
收稿日期:2023-06-28
基金项目:国家自然科学基金(51972149,61935010,51872307,51702124,62175091) ;广东省重点领域研究发展计划(2020B0090922006)
集中在 1. 5 ~ 1. 6 μm 波段,且所述晶体的发射谱宽普遍相对较窄。 为实现 1. 6 ~ 1. 7 μm 的激光输出,Er3 +
掺杂的晶体材料应具备较宽的荧光光谱。 实现晶体材料光谱展宽的两种途径主要为均匀加宽机制和非均匀
加宽机制 [37] 。 由于均匀加宽机制中随着温度的升高,会引起热透镜、热损耗或者激光损伤阈值下降等现象,
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1326
其他激光与非线性光学晶体
人 工 晶 体 学 报
第 52 卷
目前,掺杂 Er3 + 的激光晶体是应用于 1. 5 ~ 1. 7 μm 波段固体激光器的主要激光工作介质之一 [22-29] 。
Er3 + 的能级结构极为丰富,其4 I13 / 2 →4 I15 / 2 能级之间的跃迁可以产生 1. 5 ~ 1. 7 μm 近红外波段的激光 [30] 。
处获得了脉冲能量为 10 μJ、脉宽为 7 ns、重复频率为 77 kHz 的被动调 Q 激光。 并且 Chen 等 [36] 于 2021 年
利用 Co2 + ∶MgAl2 O4 晶体作为可饱和吸收体,通过 935 nm LD 泵浦 Er3 + , Yb3 + ∶ Sr3 Gd2 ( BO3 ) 4 晶体,获得脉冲
1995 年,Schweizer 等 [26] 通过 980 nm LD 泵浦 Er3 + , Yb3 + ∶YAG 晶体,实现了 1 645 nm 连续激光输出,其最大
输出功率仅为 0. 31 W,斜率效率为 7% 。 2007 年,Tolstik 等 [27] 通过 980 nm LD 泵浦 Er3 + , Yb3 + ∶YVO4 晶体,
(1. 暨南大学光电工程系,广州 510632;2. 广东省晶体与激光技术工程研究中心,广州 510632)
摘要:本文采用激光加热基座法生长出一系列掺杂不同 Er3 + 浓度( 摩尔分数) 的 Er∶ CaGdAlO4 ( Er∶ CGA) 激光晶体,并
对制备出的系列晶体开展详细的光学性能研究。 结合 J-O 理论计算和光学性能表征,通过对比吸收光谱中 780 ~ 840
laser; gain medium
0 引 言
近红外激光处于大气透明窗口带,同时又位于人眼安全波段,因此在医学治疗、军事国防、传输通信等领
域有着重要的应用价值,例如激光雷达、遥感测距、医美整形、皮肤外层肿瘤治疗、太空科学研究等 [1-7] 。 全
固态激光器结合了固体激光器及半导体激光器的优点,具有集成化和小型化等优势,更能够适应我国现阶段
LI Lin1,2 , TAN Huiyu1,2 , ZHENG Weibi1,2 , TAN Juncheng1,2 , LI Zhen1,2 ,
ZHANG Peixiong1,2 , CHEN Zhenqiang1,2
(1. Department of Optoelectronic Engineering, Jinan University, Guangzhou 510632, China;
和 955 ~ 1 020 nm 的最大吸收系数、吸收截面、半峰全宽和辐射寿命等,以及荧光发射光谱的发射强度、发射截面和能
级荧光寿命等光学性能参数,得到 Er3 + 的最佳掺杂浓度为 5% 。 该工作为获得一种有望用于 1. 5 ~ 1. 7 μm 近红外波
段全固态激光器的新型激光增益介质提供了一定的实验基础。
为提高 Er3 + 、Yb3 + 双掺晶体在 1. 55 μm 波段的激光输出性能,Huang 等 [29] 于 2008 年利用 970 nm LD 泵浦
Er3 + , Yb3 + , Ce3 + ∶NaGd( WO4 ) 2 晶体,实现了 1 590 nm 连续激光输出,其最大输出功率为 2 W,斜率效率为
spectrum such as emission intensity, emission cross section and energy level fluorescence lifetime were characterized and
futher calculated. As a result, the optimal doping concentration of Er3 + is 5% . This work provides a certain experimental
作者简介:李 琳(1998—) ,女,河南省人,博士研究生。 E-mail:m13213286019@ 163. com
通信作者:张沛雄,博士,教授。 E-mail:pxzhang@ jnu. edu. cn
陈振强,博士,研究员。 E-mail:tzqchen@ jnu. edu. cn
能量为 9. 1 μJ、重复频率为 15. 6 kHz 且持续时间为 29 ns 的 1 534 nm 被动调 Q 脉冲激光。
综上可知,LD 泵浦的 Er3 + , Yb3 + 共掺杂晶体目前主要获得了 1. 5 ~ 1. 6 μm 波段的激光输出,而 1. 6 ~ 1. 7 μm
的激光输出较少。 这是由于受到基质晶体的晶格场影响,Er3 + 、Yb3 + 共掺杂晶体的荧光发射中心波长主要
lifetime at the range of 780 ~ 840 and 955 ~ 1 020 nm in the absorption spectra were compared by combining the J-O
theoretical calculation and optical characterization. In addition, the optical performance parameters of fluorescence emission
获得了最大输出功率仅为 0. 115 W 和斜率效率为 5. 4% 的连续激光输出。 2008 年,Bjurshagen 等 [28] 通过
980 nm LD 泵浦 Er3 + , Yb3 + ∶KY( WO4 ) 2 晶体,实现了最大输出功率仅为 0. 08 W 和斜率效率仅为 1. 6% 的
1 590 nm 连续激光输出,并获得了 1 600 nm 的连续激光,其最大输出功率仅为 0. 152 W,斜率效率为 1. 2% 。
basis for obtaining a new type of laser gain medium which is expected to be used in 1. 5 ~ 1. 7 μm near-infrared band all-solidstate laser.
Key words:1. 5 ~ 1. 7 μm NIR laser; Er∶CGA crystal; laser-heated pedestal growth method; optical property; all-solid-state
得了最大输出功率为 0. 202 W 和斜率效率为 11. 4% 的 1 556 nm 连续激光输出。 2019 年,Chen 等 [35] 通过将
具有高热导率的两个蓝宝石晶体与 Er3 + , Yb3 + ∶YAl3 ( BO3 ) 4 晶体紧密压制,组成微芯片激光器,利用 975 nm
LD 泵浦,获得了 1 550 nm 连续激光输出,其最大输出功率为 2. 05 W,斜率效率为 39. 8% ,同时在 1 522 nm
fraction) were grown by laser-heated pedestal growth method. The optical properties of the prepared series crystals were
studied in detail. The maximum absorption coefficient, absorption cross section, full width at half maximum and radiation
2. Guangdong Provincial Engineering Research Center of Crystal and Laser Technology, Guangzhou 510632, China)
Abstract:In this paper, a series of Er∶ CaGdAlO4 ( Er∶ CGA) laser crystals with different Er3 + doping concentrations ( molar
16% ,并于 2014 年利用 970 nm LD 泵浦 Er3 + , Yb3 + , Ce3 + ∶ NaGd( WO4 ) 2 晶体,获得了脉冲能量为 22 μJ,重
复频率为 21 kHz,以及脉宽为 76 ns 的被动调 Q 脉冲激光输出 [30] 。 同年,Jaffrès 等 [31] 通过 980 nm LD 泵浦
续激光输出和能量为 6. 1 μJ、持续时间为 12. 6 ns 的被动调 Q 脉冲激光。 2016 年,Gorbachenya 等 [33] 利用
976 nm LD 泵浦 Er3 + , Yb3 + ∶GdAl3 ( BO3 ) 晶体,获得了最大输出功率为 1. 7 W、斜率效率为 36% 的 1 550 nm
因而限制了其高功率激光的实现。 因此非均匀加宽机制成为关键的光谱加宽途径,而无序晶体属于典型的
非均匀谱宽的激光工作介质。 CaGdAlO4 ( CGA) 晶体属四方晶系,空间群 I4 / mmm,具备电荷无序和阳离子键
长无序的多重无序性,是性能更为突出的无序晶体 [38-41] 。 目前,Yb3 + 掺杂的 CGA 晶体在高功率激光及超快
关键词:1. 5 ~ 1. 7 μm 近红外激光;Er∶CGA 晶体;激光加热基座法;光学性能;全固态激光器;增益介质
中图分类号:O782
文献标志码:A
文章编号:1000-985X(2023)07-1325-10
Growth and Concentration Optimization of Er-Doped CGA Crystals
人 工 晶 体 学 报
第 52 卷 第 7 期
2023 年 7 月
JOURNAL
OF
SYNTHETIC
CRYSTALS
Vol. 52 No. 7
July,2023
Er 掺杂 CGA 晶体的生长及浓度优化研究
李 琳1,2 ,谭慧瑜1,2 ,郑为比1,2 ,谭俊成1,2 ,李 真1,2 ,张沛雄1,2 ,陈振强1,2
Er3 + , Yb3 + ∶Ca2 Al2 SiO7 晶体,在室温下实现 1 555 nm 连续激光输出,其最大输出功率为 0. 275 W,斜率效率
为 9. 8% 。 2015 年,Chen 等 [ 32] 通过将两个蓝宝石晶体和一个 Er3 + , Yb3 + ∶ LuAl3 ( BO3 ) 4 晶体紧压在一起,制
连续激光输出,同时在 1 550 nm 处获得了能量为 18. 7 μJ、持续时间为 12 ns、重复频率为 32 kHz 的 Q 开关脉
冲激光。 2018 年,Gong 等 [34] 利用 976 nm LD 泵浦 Er3 + , Yb3 + , Ce3 + ∶Ca3 NbGa3 Si2 O14 晶体,在室温条件下获
激光技术在不同领域的应用需求 [8-12] 。 而激光晶体可作为全固态激光器的激光增益介质之一 [13-21] ,因而探
索光学性能优良的新型稀土离子掺杂型激光晶体材料具有十分重要的研究意义。
收稿日期:2023-06-28
基金项目:国家自然科学基金(51972149,61935010,51872307,51702124,62175091) ;广东省重点领域研究发展计划(2020B0090922006)
集中在 1. 5 ~ 1. 6 μm 波段,且所述晶体的发射谱宽普遍相对较窄。 为实现 1. 6 ~ 1. 7 μm 的激光输出,Er3 +
掺杂的晶体材料应具备较宽的荧光光谱。 实现晶体材料光谱展宽的两种途径主要为均匀加宽机制和非均匀
加宽机制 [37] 。 由于均匀加宽机制中随着温度的升高,会引起热透镜、热损耗或者激光损伤阈值下降等现象,
Copyright©博看网. All Rights Reserved.
1326
其他激光与非线性光学晶体
人 工 晶 体 学 报
第 52 卷
目前,掺杂 Er3 + 的激光晶体是应用于 1. 5 ~ 1. 7 μm 波段固体激光器的主要激光工作介质之一 [22-29] 。
Er3 + 的能级结构极为丰富,其4 I13 / 2 →4 I15 / 2 能级之间的跃迁可以产生 1. 5 ~ 1. 7 μm 近红外波段的激光 [30] 。
处获得了脉冲能量为 10 μJ、脉宽为 7 ns、重复频率为 77 kHz 的被动调 Q 激光。 并且 Chen 等 [36] 于 2021 年
利用 Co2 + ∶MgAl2 O4 晶体作为可饱和吸收体,通过 935 nm LD 泵浦 Er3 + , Yb3 + ∶ Sr3 Gd2 ( BO3 ) 4 晶体,获得脉冲
1995 年,Schweizer 等 [26] 通过 980 nm LD 泵浦 Er3 + , Yb3 + ∶YAG 晶体,实现了 1 645 nm 连续激光输出,其最大
输出功率仅为 0. 31 W,斜率效率为 7% 。 2007 年,Tolstik 等 [27] 通过 980 nm LD 泵浦 Er3 + , Yb3 + ∶YVO4 晶体,
(1. 暨南大学光电工程系,广州 510632;2. 广东省晶体与激光技术工程研究中心,广州 510632)
摘要:本文采用激光加热基座法生长出一系列掺杂不同 Er3 + 浓度( 摩尔分数) 的 Er∶ CaGdAlO4 ( Er∶ CGA) 激光晶体,并
对制备出的系列晶体开展详细的光学性能研究。 结合 J-O 理论计算和光学性能表征,通过对比吸收光谱中 780 ~ 840
laser; gain medium
0 引 言
近红外激光处于大气透明窗口带,同时又位于人眼安全波段,因此在医学治疗、军事国防、传输通信等领
域有着重要的应用价值,例如激光雷达、遥感测距、医美整形、皮肤外层肿瘤治疗、太空科学研究等 [1-7] 。 全
固态激光器结合了固体激光器及半导体激光器的优点,具有集成化和小型化等优势,更能够适应我国现阶段
LI Lin1,2 , TAN Huiyu1,2 , ZHENG Weibi1,2 , TAN Juncheng1,2 , LI Zhen1,2 ,
ZHANG Peixiong1,2 , CHEN Zhenqiang1,2
(1. Department of Optoelectronic Engineering, Jinan University, Guangzhou 510632, China;
和 955 ~ 1 020 nm 的最大吸收系数、吸收截面、半峰全宽和辐射寿命等,以及荧光发射光谱的发射强度、发射截面和能
级荧光寿命等光学性能参数,得到 Er3 + 的最佳掺杂浓度为 5% 。 该工作为获得一种有望用于 1. 5 ~ 1. 7 μm 近红外波
段全固态激光器的新型激光增益介质提供了一定的实验基础。
为提高 Er3 + 、Yb3 + 双掺晶体在 1. 55 μm 波段的激光输出性能,Huang 等 [29] 于 2008 年利用 970 nm LD 泵浦
Er3 + , Yb3 + , Ce3 + ∶NaGd( WO4 ) 2 晶体,实现了 1 590 nm 连续激光输出,其最大输出功率为 2 W,斜率效率为
spectrum such as emission intensity, emission cross section and energy level fluorescence lifetime were characterized and
futher calculated. As a result, the optimal doping concentration of Er3 + is 5% . This work provides a certain experimental
作者简介:李 琳(1998—) ,女,河南省人,博士研究生。 E-mail:m13213286019@ 163. com
通信作者:张沛雄,博士,教授。 E-mail:pxzhang@ jnu. edu. cn
陈振强,博士,研究员。 E-mail:tzqchen@ jnu. edu. cn
能量为 9. 1 μJ、重复频率为 15. 6 kHz 且持续时间为 29 ns 的 1 534 nm 被动调 Q 脉冲激光。
综上可知,LD 泵浦的 Er3 + , Yb3 + 共掺杂晶体目前主要获得了 1. 5 ~ 1. 6 μm 波段的激光输出,而 1. 6 ~ 1. 7 μm
的激光输出较少。 这是由于受到基质晶体的晶格场影响,Er3 + 、Yb3 + 共掺杂晶体的荧光发射中心波长主要
lifetime at the range of 780 ~ 840 and 955 ~ 1 020 nm in the absorption spectra were compared by combining the J-O
theoretical calculation and optical characterization. In addition, the optical performance parameters of fluorescence emission
获得了最大输出功率仅为 0. 115 W 和斜率效率为 5. 4% 的连续激光输出。 2008 年,Bjurshagen 等 [28] 通过
980 nm LD 泵浦 Er3 + , Yb3 + ∶KY( WO4 ) 2 晶体,实现了最大输出功率仅为 0. 08 W 和斜率效率仅为 1. 6% 的
1 590 nm 连续激光输出,并获得了 1 600 nm 的连续激光,其最大输出功率仅为 0. 152 W,斜率效率为 1. 2% 。
basis for obtaining a new type of laser gain medium which is expected to be used in 1. 5 ~ 1. 7 μm near-infrared band all-solidstate laser.
Key words:1. 5 ~ 1. 7 μm NIR laser; Er∶CGA crystal; laser-heated pedestal growth method; optical property; all-solid-state
得了最大输出功率为 0. 202 W 和斜率效率为 11. 4% 的 1 556 nm 连续激光输出。 2019 年,Chen 等 [35] 通过将
具有高热导率的两个蓝宝石晶体与 Er3 + , Yb3 + ∶YAl3 ( BO3 ) 4 晶体紧密压制,组成微芯片激光器,利用 975 nm
LD 泵浦,获得了 1 550 nm 连续激光输出,其最大输出功率为 2. 05 W,斜率效率为 39. 8% ,同时在 1 522 nm
fraction) were grown by laser-heated pedestal growth method. The optical properties of the prepared series crystals were
studied in detail. The maximum absorption coefficient, absorption cross section, full width at half maximum and radiation
2. Guangdong Provincial Engineering Research Center of Crystal and Laser Technology, Guangzhou 510632, China)
Abstract:In this paper, a series of Er∶ CaGdAlO4 ( Er∶ CGA) laser crystals with different Er3 + doping concentrations ( molar
16% ,并于 2014 年利用 970 nm LD 泵浦 Er3 + , Yb3 + , Ce3 + ∶ NaGd( WO4 ) 2 晶体,获得了脉冲能量为 22 μJ,重
复频率为 21 kHz,以及脉宽为 76 ns 的被动调 Q 脉冲激光输出 [30] 。 同年,Jaffrès 等 [31] 通过 980 nm LD 泵浦