釓鐿共摻雜鋁酸釔晶體的生長及性能研究

譚慧瑜,汪 瑞,張沛雄,尹 浩,李 真,陳振強

(暨南大學理工學院,光電工程系，廣州 510632)

0 引 言

近年來，超強超短激光在材料科學、激光聚變、激光質子刀治療癌癥等相關領域有大量應用[1]，摻雜Yb3+的激光晶體在超快激光領域的應用背景是十分廣泛的，并且，隨著在0.9～1.1 μm波段具有高效性能的InGaAs激光二極管的快速發展，1 μm波段的摻Yb3+的固體激光器已經成為超快激光領域的研究熱點之一[2-4]。得益于Yb3+能級簡單，僅有2F7/2基態和2F5/2激發態兩個電子態，具有量子缺陷低、吸收帶寬、弱濃度猝滅、量子效率高、熱損耗低，且沒有交叉弛豫和激發態吸收等眾多的優點[5-8]。并且，三價Yb3+的能級結構十分獨特，摻雜Yb3+的激光介質在0.9～1.0 μm之間存在強且寬的吸收，對器件溫控的要求越低，從而能夠有效提高泵浦效率，在1.0～1.1 μm之間呈現寬帶發射，利于超短脈沖的輸出[9]。

眾所周知，YAP(YAlO3)晶體有著優異的力學性能和熱性能[10]，被證明是一種良好的激光基質材料[11-12]，基于此，在Yb∶YAP晶體中通過摻入Gd3+，代替部分Y3+，形成混合型的Gd3+/Yb3+∶YAP晶體，增加基質晶體的成分無序化，進一步拓寬摻雜離子Yb3+的吸收及熒光光譜[13-14]。

本文報道了采用提拉法成功地生長出新型混合Gd3+/Yb3+共摻鋁酸釔晶體，對晶體的結構、光譜以及激光性能進行研究。

1 實 驗

1.1 晶體生長

圖1 Gd/Yb∶YAP單晶Fig.1 Gd/Yb∶YAP single crystal

采用傳統的提拉法成功生長了Gd/Yb∶YAP激光晶體。采用經典固相反應制備了由5.0%(原子數分數)Yb∶Gd0.1Y0.9AlO3組成的Gd/Yb∶YAP多晶材料。使用純度均為99.999%的Gd2O3、Al2O3、Y2O3、Yb2O3等原料，將所有配料放置混料機中充分混合均勻，然后將混合物壓制成圓塊，在馬弗爐中燒結至1 200 ℃，燒結15 h后降至室溫，將多晶料取出后放到銥坩堝中[15]，在氮氣環境中進行晶體生長。轉速控制在12～20 r/min之間，提拉速度控制在1～1.2 mm/h[16]。經引晶、縮頸、放肩等徑、收尾等階段后，以15～45 ℃/h的速度將生長好的晶體分階段式降至室溫。冷卻至室溫后，為消除晶體的色心缺陷，將生長好的晶體放入馬弗爐中進行退火處理，退火溫度為1 200 ℃，經39 h后，以30 ℃/h的速度降至室溫，生長得到的晶體如圖1所示。

1.2 性能表征

使用Rigaku Miniflex 600型X射線粉末衍射儀對晶體的結構進行表征[17]，晶體的晶胞參數通過JADE 6.5 軟件計算；采用電感耦合等離子體原子發射光譜儀對晶體的雜質含量進行測試；使用Perkin-ElmerUV-Vis-NIR光譜儀測試晶體在900～1 050 nm波段的偏振吸收光譜；980～1 140 nm波段的偏振熒光光譜使用FLSP920熒光光譜儀進行測試，此外還測量了 Yb3+的2F5/2能級壽命。所有測試均在室溫下進行。

1.3 激光實驗

利用平平直腔對b切向的Gd/Yb∶YAP晶體進行激光實驗，實驗裝置如圖2所示，以中心波長為960 nm的半導體激光器作為泵浦源，光纖芯徑為100 μm，數值孔徑(NA)為0.22，采用光纖耦合輸出。泵浦光束通過1∶1的成像透鏡系統重新注入晶體，將經銦箔包裹好的Gd/Yb∶YAP晶體安裝在銅片上，晶體的尺寸為4 mm×4 mm×3 mm，控制冷水系統恒溫在20 ℃，激光腔由全反鏡M1和輸出耦合鏡M2組成，其中，全反鏡M1上鍍有960 nm高透膜(T>99.5%)和1 020～1 100 nm高反膜(R>99.8%)，輸出耦合鏡M2在1 020～1 100 nm波段的透過率分別為4%和7%。

圖2 二極管泵浦連續波Gd/Yb∶YAP激光器原理圖Fig.2 Schematic diagram of diode-pumped continuous wave Gd/Yb∶YAP laser

2 結果與討論

2.1 XRD與稀土離子摻雜濃度分析

為了確定晶體的結構，對退火后晶體進行研磨，將研磨所得的粉末進行XRD測試，結果如圖3所示。與標準卡片對比發現，二者圖譜基本吻合，不存在雜相，物相純度高，Yb摻雜并未對基質的結構造成影響。經過計算，得到晶胞參數為a=0.534 15 nm，b=0.743 31 nm，c=0.521 35 nm。由ICP-AES法測得晶體中Yb3+的濃度為5.65% (1.32×1021ions/cm3)。并由式(1)計算了晶體中Yb3+的有效分凝系數：

Ke=CA/C0

(1)

式中:Ke為摻雜離子的分凝系數；CA表示Yb3+在晶體中的摻雜濃度;C0表示Yb3+在熔體中的初始濃度。通過計算得到Gd/Yb∶YAP晶體中Yb3+的有效分凝系數為1.13，與Yb∶YAP晶體(分凝系數為0.97)相比較[18]，表明Yb3+在Gd3+∶YAP晶體中易于摻雜。

2.2 偏振吸收光譜

對晶體結構很敏感的偏振吸收光譜作了測量，測量方法為在光路中樣品的前方放置一尼科耳棱鏡。900～1 050 nm波段范圍內，Gd/Yb∶YAP晶體沿a、b、c三個偏振方向的吸收光譜如圖4所示。可以清楚地看到，不同的偏振方向在1 μm波段附近存在著不同的峰值中心，如果考慮非偏振泵浦光束的話，總共可獲得10～15 nm的吸收帶寬，晶體對泵浦源熱穩定性的要求沒有那么高，因此可以有效地減少對溫場的依賴以及維持穩定的激光輸出。此外，通過公式σ=α/N算出對應的吸收截面，其中α是吸收系數，N是Yb3+在Gd/Yb∶YAP晶體中的濃度。由圖4可以看出晶體沿a、b、c三個偏振方向的吸收光譜有兩個較高的吸收峰，經過計算，b偏振方向位于980 nm處的吸收截面為2.14×10-20cm2，而c偏振時位于962 nm處的吸收截面為1.32×10-20cm2,與表1中的其他摻Yb的激光晶體相比(如Yb∶YAP、Yb∶YAG、Yb∶GGG、Yb∶CALGO晶體)，Gd/Yb∶YAP晶體擁有較大吸收截面。

圖3 Gd/Yb∶YAP的XRD圖譜和YAP標準圖譜Fig.3 XRD pattern of Gd/Yb∶YAP and YAP standard pattern

圖4 Gd/Yb∶YAP晶體沿a、b、c三個偏振方向的吸收光譜Fig.4 Absorption spectra of Gd/Yb∶YAP crystals along the three polarization directions of a, b and c

表1 不同摻Yb激光晶體吸收參數的比較Table 1 Comparison of absorption parameters of different Yb-doped laser crystals

2.3 偏振熒光光譜

圖5為Gd/Yb∶YAP晶體在980～1 140 nm波段沿a、b、c三個偏振方向的熒光光譜。在a、b偏振方向，最強發射峰出現在1 044 nm處，而在c偏振方向時，最強發射峰出現在1 008 nm處，值得注意的是，c方向的特征峰比a、b偏振方向的更明顯、更強。在1 044 nm處a、b偏振方向的半峰全寬(FWHM)分別為68.5 nm和64 nm,而在1 008 nm處c偏振方向的半峰全寬為66 nm，與表2中的其他摻Yb的激光晶體，如Yb∶YAP(9 nm)、Yb∶YAG(10 nm)、Yb∶GGG(8 nm)相比，Gd/Yb∶YAP晶體擁有較大的發射半峰全寬，在超短脈沖和寬帶可調型的激光器中更具有應用前景。然后，基于Fuchtbauere-Ladenburg理論[22]計算了受激發射截面：

(2)

式中：σem為發射截面；n為晶體折射率；I(λ)為發射光譜的強度；τr為輻射壽命；β為熒光分支比。經過計算，在1 008 nm處c偏振方向的發射截面為0.32×10-20cm2，而在1 044 nm處a偏振方向的發射截面為0.35×10-20cm2，b偏振方向的發射截面為0.39×10-20cm2。其他摻Yb3+的激光晶體發射光譜參數如表2所示。

室溫下，OPO脈沖激光器激發Gd/Yb∶YAP晶體的熒光衰減曲線為單指數形式，如圖6所示，通過單指數擬合得到Yb3+∶2F5/2能級壽命(τm)為1.638 ms。

圖5 Gd/Yb∶YAP晶體沿a、b、c三個偏振方向的熒光光譜Fig.5 Fluorescence spectra of Gd/Yb∶YAP crystal along the three polarization directions of a, b and c

圖6 Gd/Yb∶YAP晶體2F5/2→2F7/2躍遷的熒光衰減曲線Fig.6 Fluorescence decay curve of Gd/Yb∶YAP crystal 2F5/2→2F7/2 transition

表2 不同摻Yb激光晶體發射光譜參數的比較Table 2 Comparison of emission spectrum parameters of different Yb-doped laser crystals

圖7 Gd/Yb∶YAP激光器的輸出功率與吸收泵浦功率的關系Fig.7 Relationship between the output power of Gd/Yb∶YAP laser and the power of absorption pump

圖8 泵浦功率為5.82 W時，Gd/Yb∶YAP激光器的光譜圖Fig.8 Spectral view of a Gd/Yb∶YAP laser at pump power of 5.82 W

2.4 Gd/Yb∶GYAP晶體的激光性能

圖7為輸出耦合鏡透過率分別為T=4%和T=7%時輸出功率與泵浦功率的變化關系曲線。當泵浦功率為5.82 W時，最大輸出功率為0.51 W。對所得的數據進行擬合后發現：T=4%時，激光閾值為3.75 W，最大輸出功率為510 mW，斜率效率為23.5%；T=7%時，激光閾值為4.8 W，最大輸出功率為239 mW，斜率效率為20%。由于泵浦有限，沒有記錄到更高的輸出功率。同時，使用光譜儀測試在5.82 W泵浦功率下Gd/Yb∶YAP晶體的激光光譜，如圖8所示，發現1 μm波段處有多波長的激光輸出，分別位于1 050.03 nm、1 051.38 nm、1 053.00 nm、1 054.62 nm、1 055.97 nm 5個波長處。

3 結 論

本文使用單晶提拉法成功制備出優質的Gd3+/Yb3+共摻鋁酸釔晶體。對晶體的結構及偏振光譜進行系統的研究，得到在980 nm處b偏振方向的吸收截面為2.14×10-20cm2，可用于InGaAs 激光二極管泵浦。在1 044 nm處a、b偏振方向的半峰全寬分別為68.5 nm和64 nm，而在1 008 nm處c偏振方向的半峰全寬為66 nm，并且在1 044 nm處b切向的發射截面為0.39×10-20cm2。同時，還對b切向的晶體進行了激光實驗，實現了1 μm波段處的連續激光輸出，當泵浦功率為5.82 W時，最大輸出功率高達0.51 W，斜率效率為23.5%。通過研究晶體的光譜性能和激光性能，表明Gd/Yb∶YAP晶體是一種優良的激光晶體。