Nd:YSAG單晶的光譜和激光性能?

魯萬成 張慶禮 羅建喬 丁守軍 竇仁勤 彭方張會麗 王小飛 孫貴花 孫敦陸

1)(中國科學院安徽光學精密機械研究所,安徽省光子器件與材料重點實驗室,合肥 230031)

2)(中國科學技術大學,合肥 230026)

1 引 言

Nd:YAG晶體作為一種非常成熟的激光工作物質,其有高增益、高效率、低激光閾值、高光學品質等優點[1,2].但是由于離子間的交叉弛豫使得Nd3+離子在較高摻雜濃度時會引起激光效率降低,并且其本身的熒光譜線較窄,難以實現皮秒激光輸出.當Sc3+離子摻雜YAG中時,由于Sc3+離子半徑大于Al3+離子半徑而小于Y3+離子半徑,它會優先取代Al3+離子位置,使YAG晶胞增大,Nd3+離子間距增大,在減輕Nd3+離子濃度猝滅效應的同時可增加其熒光譜線的線寬.

Cornacchia等[3]采用微下拉技術成功生長出Nd:YSAG單晶.Allik等[4]采用提拉法生長Nd:YSAG晶體,并研究了其光譜與激光特性,獲得激光二極管(LD)抽運激光斜效率最大為9%.近年來對YSAG的研究以透明陶瓷居多,Saikawa等[5]和Sato等[6]主要研究了Yb:YSAG和Nd:YSAG透明陶瓷的激光特性;Gheorghe等[7]研究了Sm:YSAG透明陶瓷的組分與其光學特性的關系;馮濤等[8?10]研究了摻雜Ce,Pr,Nd的YSAG透明陶瓷的光學特性,成功制備出Nd:YSAG透明陶瓷[10],其LD抽運激光輸出斜效率達到23.6%.這與此前報道的Nd:YSAG單晶的LD抽運激光性能相差較大,因而有必要進一步評估其作為激光晶體的潛力.

本文采用提拉法生長Nd:YSAG晶體,其中Nd3+離子濃度為1.5 at.%.通過薄膜X射線衍射儀得到樣品搖擺曲線,得出晶體質量表征.采用PerkinElmer lambda-950UV/VIS/NIR分光光度計測量樣品的透過譜,FLSP-920光譜儀測試樣品的熒光光譜以及熒光壽命.通過LD抽運,獲得Nd:YSAG單晶的激光輸出數據.

2 實 驗

2.1 單晶樣品制備

本文采用提拉法生長Nd3+離子摻雜的Y3Sc2Al3O12晶體.首先根據化學計量比Y3+:Sc3+:Al3+=3:2:3(其中 Nd3+:Y3+=0.044:0.956)準確稱取原料Y2O3(5N),Sc2O3(5N),Al2O3(5N),Nd2O3(5N).原料充分混合后,在1200°C煅燒24 h作為晶體生長原料.生長晶體尺寸Φ30 mm×60 mm,轉速10 r/min,拉速0.4 mm/h[11].晶體生長結束后在硅鉬棒退火爐中1480°C下退火72 h,將獲得的晶體加工成15 mm×15 mm×1.3 mm的雙面拋光的薄片以作為光譜測試樣品,加工成2 mm×2 mm×6 mm端面平行拋光的小棒作為激光實驗晶體.

2.2 樣品測試

采用X’pert Pro薄膜X射線衍射儀測試樣品的單晶搖擺曲線,掃描方式為連續掃描,掃描步長為0.01°/s, 掃描范圍23.52°—26.44°. 采用PerkinElmer lambda-950UV/VIS/NIR分光光度計測量樣品的透過譜,測量范圍為250—900 nm,步長為1 nm.使用FLSP-920光譜儀測試樣品的熒光光譜以及熒光壽命,測試熒光光譜所用的光源為氙燈,測量范圍為850—1400 nm,測試Nd3+離子4F3/2→4I11/2躍遷的熒光壽命所用光源為微秒燈,所有測量均在室溫下進行.使用日本JEOL JXA-8100型電子探針顯微分析儀測試晶體內離子濃度,總共測試晶體放肩部分四個點.

3 結果與討論

3.1 YSAG晶體結構與質量表征

提拉法生長的Nd:YSAG晶體如圖1所示.電子探針測得四個點Nd3+離子的平均原子濃度百分比為0.2277%,Y3+離子的平均原子濃度百分比為14.4913%,由此計算得到晶體放肩部分的摻雜濃度為1.5 at.%.可以根據原始配料計算出分凝系數為0.35,文獻[11]中Nd3+在YSAG中的分凝系數為0.32,相比較可見本文測量結果可靠.從圖1可以看出,晶體透明,有部分裂紋.開裂原因可能是生長晶體的溫場梯度較大,溫度梯度引起的應力與摻雜晶體晶格畸變引起的內應力共同作用所致.

圖1 (網刊彩色)提拉法生長的(1.5 at.%)Nd:YSAG晶體Fig.1.(color online)(1.5 at.%)Nd:YSAG crystal grown by Czochralski method.

用X射線衍射儀對等徑部分1.3 mm厚的薄片進行測試,所得的搖擺曲線如圖2所示.從圖2可以看出,搖擺曲線的峰形尖銳、左右對稱、無劈裂和雙峰,衍射峰形的半高全寬值為0.05°,結果表明實驗所得晶體結晶完整,應力較小,晶體質量很好.

圖2 (1.5 at.%)Nd:YSAG晶體X射線搖擺曲線Fig.2.X-ray rocking curve of(1.5 at.%)Nd:YSAG crystal.

3.2 Nd3+的光譜及其熒光壽命

圖3 為Nd:YSAG與Nd:YAG的透過譜在波長250—900 nm范圍的對比.從圖3可以看出,在Nd3+離子非吸收帶處Nd:YSAG晶體的透過率為82%,Nd:YAG晶體的透過率為84%.Nd3+離子的最強吸收帶都位于770—830 nm之間,最強吸收峰在808.9 nm處重合.

圖4給出了Nd:YSAG晶體在808 nm激發下850—1400 nm范圍內的熒光光譜.從圖4中可以看出,Nd:YSAG晶體在波長850—1400 nm范圍內主要有3個發射帶,在室溫下位于865—946 nm,1035—1135 nm 和1310—1365 nm范圍,分別對應于Nd3+離子4F3/2→4I9/2,4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2躍遷.其中最強發射帶為4F3/2→4I11/2躍遷的1035—1135 nm處,最強發射峰位于1059 nm.與Nd:YAG晶體的熒光光譜相比較,Nd:YSAG的所有峰偏向短波長方向.

圖3 (網刊彩色)(1.5 at.%)Nd:YSAG晶體在波長250—900 nm范圍內的透過譜Fig.3.(color online)Transmittance spectra of(1.5 at.%)Nd:YSAG crystal in 250–900 nm.

圖4 (網刊彩色)808 nm激發下(1.5 at.%)Nd:YSAG在波長850—1400 nm范圍內的熒光光譜Fig.4.(color online)Fluorescence spectra of(1.5 at.%)Nd:YSAG in 850–1400 nm under 808 nm excitation.

f能級到i能級的發射截面σfi公式為

式中λ為真空中的波長;c為真空中的光速;n為折射率;對于1.06μm的躍遷,τ為能級壽命,β為4F3/2→4I11/2的熒光分支比,?(λ)為線型函數,

其中積分是對整個4F3/2→4I11/2的發射帶進行.根據文獻可知,Nd:YSAG和Nd:YAG的1.06μm熒光分支比β分別為49.4%和50%[4],Nd:YSAG在1059 nm的折射率n=1.86[4],Nd:YAG在1064 nm的折射率是1.82[12],上能級壽命分別為253μs和235μs[13]. 按同樣的方法計算了Nd:YAG的4F3/2→4I11/2的發射截面(如圖5所示),Nd:YSAG在1059 nm的發射截面和Nd:YAG在1064 nm的發射截面分別為1.03×10?19cm2和0.98×10?19cm2.

圖5(網刊彩色)Nd:YSAG與Nd:YAG4F3/2→4I11/2躍遷的發射截面Fig.5.(color online)The emission cross section of 4F3/2→4I11/2transition in Nd:YSAG and Nd:YAG.

圖6 為室溫下Nd:YSAG晶體4F3/2能級的熒光衰減曲線,通過單指數擬合[14]得出熒光壽命為253μs. 根據文獻[13],Nd3+離子摻雜濃度為1.0 at.%時Nd:YAG的4F3/2能級壽命為235μs,相比之下Nd3+離子摻雜濃度為1.5 at.%時Nd:YSAG熒光壽命高約20μs,表明Sc3+離子的摻雜確實有助于降低Nd3+離子的濃度猝滅效應,提高能級壽命,從而提高儲能效率.

圖6 (網刊彩色)(1.5 at.%)Nd:YSAG晶體4F3/2能級的熒光衰減曲線Fig.6.(color online)Decay time of the4F3/2manifold of(1.5 at.%)Nd3+in YSAG.

3.3 Nd:YSAG的激光性能

圖7 為Nd:YSAG單晶LD抽運激光實驗裝置示意圖[15,16],抽運源為中心波長為808 nm的連續LD激光器,輸入鏡與輸出鏡都為平面鏡,輸入鏡鍍1064 nm全反膜,輸出鏡鍍1064 nm高反膜,透過率T=5.2%,諧振腔腔長12 mm.晶體小棒加工尺寸為2 mm×2 mm×6 mm,端面平行拋光,且未鍍膜.為確保晶體散熱,實驗過程使用水循環冷卻,水溫保持在16°C.

圖7 (網刊彩色)Nd:YSAG單晶LD抽運激光實驗裝置Fig.7.(color online)Scheme of LD-pumped Nd:YSAG single crystal laser.

根據圖7的實驗裝置獲得的激光輸出功率曲線如圖8所示.激光閾值為0.85 W,在6.02 W的抽運功率下獲得了1.1 W的輸出功率,激光斜效率為21.1%,光-光轉化效率為18.3%.根據文獻[10]的數據,(1.0 at.%)Nd:YSAG透明陶瓷激光閾值為0.4 W,斜效率為23.6%,光-光轉化效率為18%,在斜效率與光-光轉化效率接近的情況下,Nd:YSAG單晶閾值較高,可能是因為摻雜濃度高,工作體積內Nd3+離子數較多的緣故.文獻[4]中Nd:YSAG單晶LD抽運激光輸出數據表明,其獲得的最大斜效率為9%,而本次實驗獲得的激光斜效率為21.1%,表明Nd:YSAG也是優良的激光工作物質.根據圖8的數據,當抽運功率從1 W增加到6 W時,抽運功率與輸出功率仍然呈線性關系.若能進一步提高晶體質量,優化激光實驗參數,有望獲得更高的激光效率.

圖8 (網刊彩色)808 nm LD抽運(1.5 at.%)Nd:YSAG 1059 nm激光輸出功率Fig.8.(color online)Laser output power of(1.5 at.%)Nd:YSAG at 1059 nm pumped by 808 nm LD.

4 結 論

本文通過采用提拉法生長了(1.5 at.%)Nd3+:YSAG晶體,其4F3/2→4I11/2的最強發射波長為1059 nm,發射截面為1.03×10?19cm2,與Nd:YAG在1064 nm的發射截面0.98×10?19cm2相當;4F3/2能級壽命為253μs,比YAG高約20μs,具有更好的儲能效率.根據LD抽運激光實驗,獲得激光閾值為0.85 W,最高輸出功率為1.1 W,激光斜效率為21.1%,光-光轉化效率為18.3%.結果表明Nd:YSAG是一種性能優良的激光晶體.

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