Nd:YSAG单晶的光谱和激光性能∗

鲁万成 张庆礼 罗建乔 丁守军 窦仁勤 彭方张会丽 王小飞 孙贵花 孙敦陆

1)(中国科学院安徽光学精密机械研究所,安徽省光子器件与材料重点实验室,合肥 230031)

2)(中国科学技术大学,合肥 230026)

1 引 言

Nd:YAG晶体作为一种非常成熟的激光工作物质,其有高增益、高效率、低激光阈值、高光学品质等优点[1,2].但是由于离子间的交叉弛豫使得Nd3+离子在较高掺杂浓度时会引起激光效率降低,并且其本身的荧光谱线较窄,难以实现皮秒激光输出.当Sc3+离子掺杂YAG中时,由于Sc3+离子半径大于Al3+离子半径而小于Y3+离子半径,它会优先取代Al3+离子位置,使YAG晶胞增大,Nd3+离子间距增大,在减轻Nd3+离子浓度猝灭效应的同时可增加其荧光谱线的线宽.

Cornacchia等[3]采用微下拉技术成功生长出Nd:YSAG单晶.Allik等[4]采用提拉法生长Nd:YSAG晶体,并研究了其光谱与激光特性,获得激光二极管(LD)抽运激光斜效率最大为9%.近年来对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透明陶瓷的组分与其光学特性的关系;冯涛等[8−10]研究了掺杂Ce,Pr,Nd的YSAG透明陶瓷的光学特性,成功制备出Nd:YSAG透明陶瓷[10],其LD抽运激光输出斜效率达到23.6%.这与此前报道的Nd:YSAG单晶的LD抽运激光性能相差较大,因而有必要进一步评估其作为激光晶体的潜力.

本文采用提拉法生长Nd:YSAG晶体,其中Nd3+离子浓度为1.5 at.%.通过薄膜X射线衍射仪得到样品摇摆曲线,得出晶体质量表征.采用PerkinElmer lambda-950UV/VIS/NIR分光光度计测量样品的透过谱,FLSP-920光谱仪测试样品的荧光光谱以及荧光寿命.通过LD抽运,获得Nd:YSAG单晶的激光输出数据.

2 实 验

2.1 单晶样品制备

本文采用提拉法生长Nd3+离子掺杂的Y3Sc2Al3O12晶体.首先根据化学计量比Y3+:Sc3+:Al3+=3:2:3(其中 Nd3+:Y3+=0.044:0.956)准确称取原料Y2O3(5N),Sc2O3(5N),Al2O3(5N),Nd2O3(5N).原料充分混合后,在1200°C煅烧24 h作为晶体生长原料.生长晶体尺寸Φ30 mm×60 mm,转速10 r/min,拉速0.4 mm/h[11].晶体生长结束后在硅钼棒退火炉中1480°C下退火72 h,将获得的晶体加工成15 mm×15 mm×1.3 mm的双面抛光的薄片以作为光谱测试样品,加工成2 mm×2 mm×6 mm端面平行抛光的小棒作为激光实验晶体.

2.2 样品测试

采用X’pert Pro薄膜X射线衍射仪测试样品的单晶摇摆曲线,扫描方式为连续扫描,扫描步长为0.01°/s, 扫描范围23.52°—26.44°. 采用PerkinElmer lambda-950UV/VIS/NIR分光光度计测量样品的透过谱,测量范围为250—900 nm,步长为1 nm.使用FLSP-920光谱仪测试样品的荧光光谱以及荧光寿命,测试荧光光谱所用的光源为氙灯,测量范围为850—1400 nm,测试Nd3+离子4F3/2→4I11/2跃迁的荧光寿命所用光源为微秒灯,所有测量均在室温下进行.使用日本JEOL JXA-8100型电子探针显微分析仪测试晶体内离子浓度,总共测试晶体放肩部分四个点.

3 结果与讨论

3.1 YSAG晶体结构与质量表征

提拉法生长的Nd:YSAG晶体如图1所示.电子探针测得四个点Nd3+离子的平均原子浓度百分比为0.2277%,Y3+离子的平均原子浓度百分比为14.4913%,由此计算得到晶体放肩部分的掺杂浓度为1.5 at.%.可以根据原始配料计算出分凝系数为0.35,文献[11]中Nd3+在YSAG中的分凝系数为0.32,相比较可见本文测量结果可靠.从图1可以看出,晶体透明,有部分裂纹.开裂原因可能是生长晶体的温场梯度较大,温度梯度引起的应力与掺杂晶体晶格畸变引起的内应力共同作用所致.

图1 (网刊彩色)提拉法生长的(1.5 at.%)Nd:YSAG晶体Fig.1.(color online)(1.5 at.%)Nd:YSAG crystal grown by Czochralski method.

用X射线衍射仪对等径部分1.3 mm厚的薄片进行测试,所得的摇摆曲线如图2所示.从图2可以看出,摇摆曲线的峰形尖锐、左右对称、无劈裂和双峰,衍射峰形的半高全宽值为0.05°,结果表明实验所得晶体结晶完整,应力较小,晶体质量很好.

图2 (1.5 at.%)Nd:YSAG晶体X射线摇摆曲线Fig.2.X-ray rocking curve of(1.5 at.%)Nd:YSAG crystal.

3.2 Nd3+的光谱及其荧光寿命

图3 为Nd:YSAG与Nd:YAG的透过谱在波长250—900 nm范围的对比.从图3可以看出,在Nd3+离子非吸收带处Nd:YSAG晶体的透过率为82%,Nd:YAG晶体的透过率为84%.Nd3+离子的最强吸收带都位于770—830 nm之间,最强吸收峰在808.9 nm处重合.

图4给出了Nd:YSAG晶体在808 nm激发下850—1400 nm范围内的荧光光谱.从图4中可以看出,Nd:YSAG晶体在波长850—1400 nm范围内主要有3个发射带,在室温下位于865—946 nm,1035—1135 nm 和1310—1365 nm范围,分别对应于Nd3+离子4F3/2→4I9/2,4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2跃迁.其中最强发射带为4F3/2→4I11/2跃迁的1035—1135 nm处,最强发射峰位于1059 nm.与Nd:YAG晶体的荧光光谱相比较,Nd:YSAG的所有峰偏向短波长方向.

图3 (网刊彩色)(1.5 at.%)Nd:YSAG晶体在波长250—900 nm范围内的透过谱Fig.3.(color online)Transmittance spectra of(1.5 at.%)Nd:YSAG crystal in 250–900 nm.

图4 (网刊彩色)808 nm激发下(1.5 at.%)Nd:YSAG在波长850—1400 nm范围内的荧光光谱Fig.4.(color online)Fluorescence spectra of(1.5 at.%)Nd:YSAG in 850–1400 nm under 808 nm excitation.

f能级到i能级的发射截面σfi公式为

式中λ为真空中的波长;c为真空中的光速;n为折射率;对于1.06µm的跃迁,τ为能级寿命,β为4F3/2→4I11/2的荧光分支比,ϕ(λ)为线型函数,

其中积分是对整个4F3/2→4I11/2的发射带进行.根据文献可知,Nd:YSAG和Nd:YAG的1.06µm荧光分支比β分别为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],上能级寿命分别为253µs和235µs[13]. 按同样的方法计算了Nd:YAG的4F3/2→4I11/2的发射截面(如图5所示),Nd:YSAG在1059 nm的发射截面和Nd:YAG在1064 nm的发射截面分别为1.03×10−19cm2和0.98×10−19cm2.

图5(网刊彩色)Nd:YSAG与Nd:YAG4F3/2→4I11/2跃迁的发射截面Fig.5.(color online)The emission cross section of 4F3/2→4I11/2transition in Nd:YSAG and Nd:YAG.

图6 为室温下Nd:YSAG晶体4F3/2能级的荧光衰减曲线,通过单指数拟合[14]得出荧光寿命为253µs. 根据文献[13],Nd3+离子掺杂浓度为1.0 at.%时Nd:YAG的4F3/2能级寿命为235µs,相比之下Nd3+离子掺杂浓度为1.5 at.%时Nd:YSAG荧光寿命高约20µs,表明Sc3+离子的掺杂确实有助于降低Nd3+离子的浓度猝灭效应,提高能级寿命,从而提高储能效率.

图6 (网刊彩色)(1.5 at.%)Nd:YSAG晶体4F3/2能级的荧光衰减曲线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

图7 为Nd:YSAG单晶LD抽运激光实验装置示意图[15,16],抽运源为中心波长为808 nm的连续LD激光器,输入镜与输出镜都为平面镜,输入镜镀1064 nm全反膜,输出镜镀1064 nm高反膜,透过率T=5.2%,谐振腔腔长12 mm.晶体小棒加工尺寸为2 mm×2 mm×6 mm,端面平行抛光,且未镀膜.为确保晶体散热,实验过程使用水循环冷却,水温保持在16°C.

图7 (网刊彩色)Nd:YSAG单晶LD抽运激光实验装置Fig.7.(color online)Scheme of LD-pumped Nd:YSAG single crystal laser.

根据图7的实验装置获得的激光输出功率曲线如图8所示.激光阈值为0.85 W,在6.02 W的抽运功率下获得了1.1 W的输出功率,激光斜效率为21.1%,光-光转化效率为18.3%.根据文献[10]的数据,(1.0 at.%)Nd:YSAG透明陶瓷激光阈值为0.4 W,斜效率为23.6%,光-光转化效率为18%,在斜效率与光-光转化效率接近的情况下,Nd:YSAG单晶阈值较高,可能是因为掺杂浓度高,工作体积内Nd3+离子数较多的缘故.文献[4]中Nd:YSAG单晶LD抽运激光输出数据表明,其获得的最大斜效率为9%,而本次实验获得的激光斜效率为21.1%,表明Nd:YSAG也是优良的激光工作物质.根据图8的数据,当抽运功率从1 W增加到6 W时,抽运功率与输出功率仍然呈线性关系.若能进一步提高晶体质量,优化激光实验参数,有望获得更高的激光效率.

图8 (网刊彩色)808 nm LD抽运(1.5 at.%)Nd:YSAG 1059 nm激光输出功率Fig.8.(color online)Laser output power of(1.5 at.%)Nd:YSAG at 1059 nm pumped by 808 nm LD.

4 结 论

本文通过采用提拉法生长了(1.5 at.%)Nd3+:YSAG晶体,其4F3/2→4I11/2的最强发射波长为1059 nm,发射截面为1.03×10−19cm2,与Nd:YAG在1064 nm的发射截面0.98×10−19cm2相当;4F3/2能级寿命为253µs,比YAG高约20µs,具有更好的储能效率.根据LD抽运激光实验,获得激光阈值为0.85 W,最高输出功率为1.1 W,激光斜效率为21.1%,光-光转化效率为18.3%.结果表明Nd:YSAG是一种性能优良的激光晶体.

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