Dy3+、Tb3+共掺杂LuYAG晶体的光谱特性研究：突破自终止瓶颈效应的黄光激光材料新进展

为解决黄光激光（575–590 nm）在医疗和遥感应用中因Dy3+自终止效应导致的效率瓶颈问题，研究人员通过Czochralski法生长了Dy3+:YAG、Dy3+:LuYAG及Dy3+,Tb3+:LuYAG晶体。研究发现，Tb3+共掺杂使Dy3+的4F9/2能级寿命延长，发射截面达1.813×10-21 cm2，显著提升582.5 nm黄光发射强度，为高功率激光器设计提供新思路。

　　

在医疗和遥感领域，黄光激光（575–590 nm）因其对血红蛋白的低吸收率和大气散射弱的特点，成为血管治疗和激光雷达（LiDAR）的理想光源。然而，传统Dy³⁺掺杂晶体存在严重的自终止瓶颈效应——粒子堆积在激光下能级⁶H_13/2导致粒子数反转困难。如何通过材料设计突破这一限制，成为国际激光材料研究的焦点。

中国科学院福建物质结构研究所的研究团队选择了一种折中方案：以混合镥钇铝石榴石（Lu_1.5Y_1.5Al₅O₁₂，简称LuYAG）为基质，结合Dy³⁺和Tb³⁺的双重掺杂策略。这种晶体既保留了YAG的稳定立方结构（空间群Ia-3d，晶格常数11.9611 ?），又兼具LuAG的高热导率（7.5 W/m·K）和稀土离子高掺杂特性。通过改进的Czochralski（Cz）晶体生长技术，团队成功制备出光学级Dy:YAG、Dy:LuYAG及Dy,Tb:LuYAG单晶，并系统比较了三者的光谱性能。

研究主要采用X射线衍射（XRD）验证晶体结构，通过Judd-Ofelt（J-O）理论计算光谱参数，结合荧光光谱和衰减曲线分析能量转移机制。特别关注了Tb³⁺的⁷F₄→Dy³⁺的⁶H_13/2准共振能量转移（ET）过程。

实验结果揭示三大突破：

1. 结构稳定性：XRD证实稀土掺杂未改变YAG基质相结构，Dy³⁺在LuYAG中的分凝系数达0.68，优于YAG体系。
2. 光谱优势：Dy:LuYAG在黄光波段（582.5 nm）荧光强度比Dy:YAG提高30%，⁴F_9/2能级寿命延长至1.21 ms。
3. 协同效应：Tb³⁺共掺杂使Dy³⁺的发射截面提升至1.813×10^-21 cm²，同时Tb³⁺的⁵D₄能级寿命从3.42 ms（单掺）降至2.15 ms（共掺），证实了有效的粒子数再分配。

这项发表于《Optical Materials》的研究具有双重意义：在理论上，阐明了Tb³⁺-Dy³⁺能量转移缓解自终止效应的物理机制；在应用上，为开发高效率黄光激光器提供了LuYAG这一新型宿主材料。尤其值得关注的是，该团队通过组分调控（Lu/Y=1:1）在保持性能优势的同时，将原料成本降低至纯LuAG的50%，展现出显著的产业化潜力。未来，这种晶体在皮肤疾病光动力疗法和大气污染物监测等领域具有广阔应用前景。