Er:(La,Zr):Y2O3透明陶瓷的激发态吸收与光谱特性研究：从材料制备到激光应用

研究人员通过固相反应和真空烧结技术制备了Er:(La,Zr):Y2O3透明陶瓷，解决了Y2O3单晶生长困难的问题。利用泵浦-探测技术首次测定了400–850 nm范围内的激发态吸收(ESA)截面，分离了4I13/2和4I11/2能级的ESA光谱，并通过Judd-Ofelt理论计算了激光跃迁参数，为Er3+激光器设计提供了关键数据。

　　

在激光材料领域，立方晶系的Y₂O₃因其优异的热导率和宽透明窗口（0.2–8 μm）被视为理想基质，但其单晶生长面临2430°C高熔点与相变难题。传统方法难以获得大尺寸晶体，而陶瓷技术通过低温烧结实现了突破。然而，掺杂Er³⁺的Y₂O₃中，⁴I_13/2→⁴I_15/2（~1.5 μm）和⁴I_11/2→⁴I_13/2（~1 μm）激光跃迁的激发态吸收(ESA)数据长期缺失，阻碍了上转换机制解析与激光器优化。

为解决这一难题，罗马尼亚国家研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表研究，采用La₂O₃/ZrO₂共掺杂策略，通过固相反应和真空烧结制备出0.5 at.% Er:(La,Zr):Y₂O₃透明陶瓷。研究结合X射线衍射(XRD)、泵浦-探测光谱和Judd-Ofelt理论分析，系统表征了材料的光谱特性。

关键技术方法

1. 材料制备：以Y₂O₃、Er₂O₃等为原料，添加10 at.% La₂O₃和1.0 at.% ZrO₂，经球磨、筛分后真空烧结获得透明陶瓷。
2. 光谱分析：使用973 nm和1550 nm双泵浦波长分离⁴I_13/2与⁴I_11/2的ESA信号，测定400–850 nm范围的吸收截面。
3. 理论计算：基于GSA（基态吸收）和ESA谱线积分，计算Judd-Ofelt强度参数Ω_2,4,6，预测激光跃迁特性。

研究结果

结构表征
XRD证实样品为纯立方相（空间群Ia-3），La³⁺的引入导致晶格膨胀（晶胞参数从10.60 ?增至10.68 ?），但未产生杂相。

光谱特性

• GSA分析：在400–1600 nm范围内识别出⁴I_15/2→²H_11/2等跃迁，其中⁴I_13/2能级寿命达8.3 ms，优于单晶数据（7.4 ms）。
• ESA分离：通过双泵浦策略成功解析⁴I_13/2→(⁴G_9/2,²K_15/2)和⁴I_11/2→⁴F_3/2等ESA通道，发现La³⁺导致谱线非均匀展宽（半高宽增加30%）。

Judd-Ofelt计算
采用GSA+ESA联合拟合获得Ω₂=3.12×10^?20 cm²，Ω₄=1.45×10^?20 cm²，Ω₆=0.98×10^?20 cm²，计算得⁴I_13/2→⁴I_15/2的辐射寿命为11.2 ms，与实测值高度吻合。

结论与意义
该研究首次建立了Er:(La,Zr):Y₂O₃陶瓷的完整ESA数据库，揭示了La³⁺通过晶格畸变影响光谱线宽的机制。Judd-Ofelt参数为1.5 μm波段激光器设计提供了理论依据，而低温烧结工艺为低成本制备大尺寸激光增益介质开辟了新途径。作者Octavian Toma等强调，该材料在军事红外窗口和医疗激光领域具有应用潜力，后续需优化ZrO₂掺杂量以平衡光学质量与机械性能。