超強(qiáng)激光科學(xué)卓越創(chuàng)新簡(jiǎn)報(bào)

(第五百五十六期)

2024年10月9日

上海光機(jī)所在鏑鐠共摻雜氟化鈰激光晶體研究方面取得進(jìn)展

近日，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所先進(jìn)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(jìn)展，相關(guān)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(jí)結(jié)構(gòu)的稀土離子，其³P₀能級(jí)向下能級(jí)的躍遷對(duì)應(yīng)于多個(gè)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(xiàn)報(bào)道，Ce³⁺與Pr³⁺之間存在的能量傳遞過程會(huì)令Pr³⁺從³P₀能級(jí)快速弛豫至¹D₂能級(jí)，導(dǎo)致Pr³⁺摻雜CeF₃（Pr³⁺:CeF₃）晶體的³P₀能級(jí)熒光壽命僅為一百多納秒，這大大增加了利用Pr³⁺：³P₀能級(jí)實(shí)現(xiàn)可見波段激光輸出的難度。

針對(duì)上述問題，研究團(tuán)隊(duì)采用Dy³⁺,Pr³⁺共摻雜方法，延長(zhǎng)了Pr³⁺:CeF₃晶體中Pr³⁺：³P₀能級(jí)的熒光壽命。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過對(duì)Pr³⁺:CeF₃晶體共摻Dy，Pr³⁺：³P₀能級(jí)的熒光壽命提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)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(jí)能量略高于Pr³⁺：³P₀能級(jí)，且其熒光壽命顯著長(zhǎng)于Pr³⁺：³P₀能級(jí)，在采用藍(lán)光LD激發(fā)后，一部分能量?jī)?chǔ)存在Dy³⁺：⁴F_9/2能級(jí)上，當(dāng)Pr³⁺：³P₀能級(jí)上的能量快速消耗時(shí)，儲(chǔ)存于Dy³⁺：⁴F_9/2能級(jí)的能量通過能級(jí)間傳遞轉(zhuǎn)移至Pr³⁺：³P₀能級(jí)（Dy³⁺：⁴F_9/2→Pr³⁺：³P₀），由此顯著提高了Pr³⁺：³P₀能級(jí)的熒光壽命。以上研究結(jié)果為提高Pr³⁺:CeF₃晶體中Pr³⁺：³P₀能級(jí)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(shí)現(xiàn)可見波段激光輸出。

本工作得到了中國科學(xué)院、上海市等項(xiàng)目的支持。

原文鏈接

圖1. 通過442 nm激發(fā)，在482 nm處監(jiān)測(cè)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