Nd3+ /Yb3+ :LuPO4 晶体的光谱特性及其在1.0 μm波段多波长激光器中的潜在应用

本文针对近红外多波长激光增益介质的需求，首次采用高温溶液法成功制备了0.8 at.% Nd3+ /0.2 at.% Yb3+ :LuPO4 晶体。通过系统分析晶体结构、光谱特性及Nd3+ →Yb3+ 能量转移机制，证实该材料具有803 nm宽吸收带（FWHM 9-10 nm）与高效多波长发射特性，为1.0 μm波段激光器设计提供了新思路。

　　

在激光技术领域，1.0 μm波段激光器因其在军事制导、医疗手术和光纤通信中的关键作用，成为研究热点。然而，传统Yb³⁺
掺杂材料面临泵浦波长与激光波长接近导致的再吸收损耗难题，而Nd³⁺
掺杂体系虽具备808 nm二极管泵浦优势，却受限于上转换能量损失。如何兼顾高效泵浦与多波长输出，成为突破技术瓶颈的关键。

山东某研究团队在《Optical Materials》发表的研究中，创新性地采用高温溶液法（以Pb₂
P₂
O₇
为助熔剂）生长出Nd/Yb:LuPO₄
晶体。通过X射线衍射（XRD）验证晶体结构，结合RM（Reciprocity Method）和F-L（Füchtbauer-Ladenburg）方法计算光谱参数，系统分析了Nd³⁺
的⁴
F_3/2
能级与Yb³⁺
的²
F_{5/sub>能级间的能量转移机制。}

【Crystal structures】
XRD图谱显示晶体保持LuPO₄
的四方锆石结构，Nd/Yb掺杂未引起相变。X射线摇摆曲线（XRC）半高宽仅45.6弧秒，证实晶体质量优异。

【Spectral properties】
在803 nm处测得π/σ偏振吸收系数分别为5.23 cm^-1
和4.7 cm^-1
，吸收截面达2.49×10^-20
cm²
（π）和2.24×10^-20
cm²
（σ），宽达9-10 nm的吸收带与商用AlGaAs激光二极管完美匹配。发射光谱显示Nd³⁺
在1053 nm、Yb³⁺
在1028 nm处均有强峰，实现双波长覆盖。

【Energy transfer mechanism】
通过荧光寿命分析发现Nd³⁺
→Yb³⁺
能量转移效率达37.2%，这种协同作用既保留了Nd³⁺
的多泵浦通道优势，又发挥了Yb³⁺
量子缺陷低的特性。

该研究不仅证实Nd/Yb:LuPO₄
晶体是1.0 μm多波长激光器的理想候选材料，更开创了通过稀土离子能级工程调控激光特性的新思路。其采用的"高温溶液法+光谱诊断"技术路线，为其他功能晶体设计提供了范式参考。值得注意的是，晶体12.0 W m^-1
K^-1
的高热导率，进一步保障了高功率激光应用的可行性。正如通讯作者Shijia Sun强调的，这种材料体系有望推动紧凑型多波长激光器在光谱合成技术中的实际应用。