采用科克拉斯基（Czochralski）方法生长的Er:Yb:La0.5Gd1.5Si2O7晶体的光谱特性以及1.5-1.6 μm波段激光特性

《Journal of Luminescence》：Spectral and 1.5-1.6 μm laser characteristics of Er:Yb:La0.5Gd1.5Si2O7 crystal grown by Czochralski method

Er:Yb:La-GPS晶体通过Czochralski法生长，其光谱特性显示E//Z极化974 nm吸收峰，E//X/k//Y极化1536/1566 nm发射峰，吸收截面3.69×10^-20 cm2，发射截面0.83×10^-20 cm2，能量转移效率79%，荧光寿命7.58 ms。975.4 nm激光二极管泵浦实现1566 nm CW激光，功率110 mW，效率8.6%，表明该晶体在宽带调谐和超短脉冲激光器中有应用潜力。

　　

宁泽宇|曹希蕾|龚兴红|黄建华|段高翔|林彦福|黄一东|陈玉金

中国科学院福建物质结构研究所功能晶体与器件国家重点实验室，中国福建省福州市，350002

摘要

采用Czochralski方法成功生长出了具有共熔特性的Er:Yb:La_0.5Gd_1.5Si₂O₇单晶。对不同偏振方向的晶体光谱特性进行了评估。在E//Z偏振下，其峰值吸收波长为974 nm；在E//X和k//Z偏振下，峰值荧光波长分别为1536 nm。该晶体的吸收截面和发射截面分别为3.69×10^-20 cm²和0.83×10^-20 cm²。由于晶体结构无序，E//X和k//Y偏振下，其发射带宽度较宽，半高全宽最大为28 nm。Yb³⁺向Er³⁺的能量转移效率为79%，Er³⁺的⁴I_13/2多重态的荧光寿命为7.58 ms。使用975.4 nm激光二极管泵浦时，该晶体实现了输出功率为110 mW、斜效率为8.6%的1566 nm连续波激光。

引言

由于1.5-1.6 μm激光具有独特的性质，如位于大气传输和超低损耗光纤通信窗口内，以及与InGaAs和Ge探测器的敏感区域重合，因此在光通信、环境传感、激光雷达和激光测距等领域具有广泛的应用前景[1]、[2]、[3]。使用980 nm激光二极管泵浦Er³⁺/Yb³⁺共掺杂块材是开发高性能1.5-1.6 μm激光的有效方法，该方法具有成本低、结构紧凑和光束质量优异等优点[3]、[4]。作为商用1.5-1.6 μm激光材料，Er³⁺/Yb³⁺共掺杂磷酸盐玻璃（Er:Yb:PG）的Yb³⁺→ Er³⁺能量转移（ET）效率高达约90%，发射带宽度（FWHM）约为30 nm[5]、[6]、[7]。随后，已经实现了斜效率为20-30%的1.5-1.6 μm连续波（CW）激光器，以及调谐范围宽达30-82 nm的连续可调激光器[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。然而，其较差的热导率（约0.8 Wm^-1K^-1）限制了大多数实验中CW激光器的最大输出功率，低于100 mW[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[13]。因此，一些具有高热导率的Er³⁺/Yb³⁺共掺杂晶体被研究作为1.5-1.6 μm激光的增益材料[14]、[15]、[16]、[17]。在这些晶体中，Er³⁺/Yb³⁺共掺杂的YAl₃(BO₃)₄（Er:Yb:YAB）晶体因其高Yb³⁺→ Er³⁺ ET效率（约90%）和高热导率（约7.7 Wm^-1K^-1）而表现出优异的性能[3]。在该晶体中实现了斜效率为34%、输出功率为4.55 W的1543 nm激光[14]。然而，该晶体中较高的最大声子频率（高达1355 cm^-1）使得Er³⁺的⁴I_13/2多重态的荧光寿命缩短至0.33 ms[18]、[19]，从而导致脉冲激光能量较低和激光阈值较高[20]、[21]。 许多研究表明，为了获得较长的⁴I_13/2多重态荧光寿命并提高Yb³⁺→Er³⁺的ET效率，具有适中最大声子频率（1100-1200 cm^-1）的基质晶体是理想的选择[15]、[22]、[23]。RE₂Si₂O₇（RE = 稀土元素，Sc和Y）焦硅酸盐晶体具有约1110-1170 cm^-1的适中最大声子频率，被研究作为有前景的基质材料[15]、[22]、[24]。结合高热导率（沿X轴为9.08 Wm^-1K^-1）、相对较高的Yb³⁺→Er³⁺ ET效率（86%）和较长的⁴I_13/2多重态荧光寿命（8.45 ms），Er³⁺/Yb³⁺共掺杂的Lu₂Si₂O₇（Er:Yb:LPS）晶体成为一种有竞争力的1.5-1.6 μm增益介质[15]、[25]。此外，由于该晶体具有共熔特性，可以通过Czochralski（CZ）方法生长[26]。还实现了斜效率为21.8%、输出功率为2.18 W的1565 nm CW激光[15]。然而，氧化镥的价格高昂，以及生长温度（1900 °C）导致铱坩埚的高损耗，大大增加了Er:Yb:LPS晶体的生长成本。因此，原材料价格较低、生长温度较低的Gd₂Si₂O₇和Y₂Si₂O₇晶体（生长温度分别为1720 °C和1775 °C[28]、[29]）可能是更好的选择。然而，与Gd₂SiO₅、Y₂SiO₅和Gd_1.615Y_0.385SiO₅等氧正硅酸盐晶体不同，这些晶体可以共熔并通过CZ方法生长[30]、[31]、[32]，而Gd₂Si₂O₇和Y₂Si₂O₇由于熔点不同，无法通过CZ方法生长[33]、[34]。由于缺乏合适的熔剂系统，至今尚未成功生长出大尺寸的纯Gd₂Si₂O₇和Y₂Si₂O₇块材[33]、[34]。一些研究表明，部分用La³⁺替代Gd³⁺或Y³⁺后，(La_xGd_1-x)₂Si₂O₇（0.1 ≤ x ≤ 0.6）和(La_0.6Y_0.4)₂Si₂O₇晶体具有共熔特性[35]、[36]、[37]。随后，这些掺Ce³⁺的晶体通过CZ方法生长，并被用作良好的闪烁体材料[35]、[36]、[37]。 先前的研究表明，La/Gd比例会影响晶体的光学质量，最佳晶体质量出现在La_0.5Gd_1.5Si₂O₇（La-GPS）晶体中[35]。在本研究中，首次成功通过CZ方法生长出了Er³⁺/Yb³⁺共掺杂的La-GPS（Er:Yb:La-GPS）晶体，并报道了其在室温下的偏振光谱特性及其1.5-1.6 μm CW激光器操作性能。评估了Er:Yb:La-GPS晶体作为1.5-1.6 μm激光增益介质的潜力。

实验

使用高纯度SiO₂、Er₂O₃、Yb₂O₃、Gd₂O₃和La₂O₃粉末作为起始材料，根据Er_0.012Yb_0.12La_0.5Gd_1.368Si₂O₇的配方精确称量。首先将起始材料混合均匀，压制成圆柱形，然后在空气中1600 °C下烧结20小时。随后将Er:Yb:La-GPS多晶粉末放入铱坩埚中，在Czochralski炉（DJL-400）中完全熔化并均匀化。使用高纯度氮气

晶体特性

图1(a)展示了一块尺寸约为Φ20×30 mm³的Er:Yb:La-GPS晶体照片。晶体中未观察到可见的气泡和明显的散射夹杂物。图1(a)的插图展示了一块尺寸为3.0×3.0×1.5 mm³的抛光X切割晶体，用于后续的激光实验。图1(b)显示了Er:Yb:La-GPS晶体的XRD图谱。所有衍射峰位置与La-GPS晶体（ICSD#255837）的峰位置吻合良好，且

结论

采用CZ方法成功生长出了Er:Yb:La-GPS单晶。该晶体具有较长的⁴I_13/2多重态荧光寿命、1.5-1.6 μm的宽发射带以及974 nm处的较大吸收截面。还实现了一个输出功率为110 mW、斜效率为8.6%的1566 nm CW激光。上述特性表明，Er:Yb:La-GPS晶体可能是一种有吸引力的1.5-1.6 μm激光介质，特别适用于宽带可调激光器和超短脉冲激光器。

CRediT作者贡献声明

陈玉金：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法学、资金获取、正式分析。黄建华：资源提供。段高翔：资源提供。林彦福：资源提供。黄一东：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理、方法学、资金获取。宁泽宇：撰写 – 原稿撰写、验证、实验研究、正式分析、数据管理。曹希蕾：资源提供。龚兴红：资源提供

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：52272010）、福建省自然科学基金（编号：2023J02027）以及中国科学院海西研究院自主部署项目研究计划（编号：CXZX-2022-GH08）的支持。