通过激光高温烧结（LHPG）技术生长的掺Tm3+的高熵（Lu,Y,Sc,Gd）2O3晶体纤维中的宽带近红外发射

《Journal of Luminescence》：Broadband near-Infrared emission in Tm3+-doped high-entropy (Lu,Y,Sc,Gd)2O3 crystal fibers grown by LHPG

　　

孙柳音|刘健|郭新宇|姜正远|刘鹏|徐晓东|徐军|Kheirreddine Lebbou

中国江苏省普通师范学院物理与电子工程学院先进激光材料与器件重点实验室，徐州221116

引言

2 μm激光位于大气气体和水分子的吸收窗口内，广泛应用于大气遥感、激光雷达、医疗治疗、空间通信和有机材料加工等领域1, 2, 3。镧系离子Tm³⁺具有³F₄ → ³H₆跃迁，能够产生2 μm波长的光，可以通过市售的790 nm激光二极管（LD）高效泵浦[4]。与Ho³⁺相比，Tm³⁺的上能级泵浦在技术上更为成熟[5]。此外，高效的交叉弛豫（CR）过程（³H₄ + ³H₆ → ³F₄ + ³F₄）可以使量子效率接近200%，从而实现高效激光输出并降低热负荷。鉴于这些优异的激光特性和出色的物理化学稳定性，Tm³⁺掺杂材料被广泛研究作为增益介质6, 7, 8。在各种基质系统中已经展示了高效激光操作，包括石榴石、钒酸盐、双钨酸盐、稀土氧硫化物和氟化物9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16。

立方稀土氧硫化物（R₂O₃）因其出色的物理化学稳定性、高导热性、宽发射带宽和低声子能量而被广泛认为是激光离子的优良基质材料[17]。这些特性，加上它们能够诱导掺杂离子的显著基态斯塔克分裂，使其特别适合超快和可调谐激光应用[18]。代表性的氧硫化物基质包括Lu₂O₃ [19]、Y₂O₃ [20]、Sc₂O₃ [21]、Gd₂O₃ [22]、LuYO₃ [23]。最近，高熵氧硫化物——包含多种稀土元素且接近等摩尔比的多阳离子氧化物系统——作为一种有前景的材料平台出现。它们的高配位熵稳定了单相固溶体，并由于局部结构无序和晶格应变而提高了机械性能和可调谐光谱特性24, 25, 26。这些特点使得高熵氧硫化物成为设计具有定制光学和热机械性能的增益介质的理想选择。然而，由于高熔点，生长高质量氧硫化物晶体仍然具有挑战性。激光加热 pedestal 生长（LHPG）方法是一种成熟的单晶光纤（SCF）制造技术，可以为这类难熔材料提供有效的制备途径。通过选择基于Lu₂O₃、Y₂O₃、Sc₂O₃、Gd₂O₃的多组分系统，可以进一步降低熔点[18]，而增加的阳离子多样性有望有利于光谱展宽和激光性能的提升。据我们所知，Tm³⁺掺杂的高熵（Lu_0.25Y_0.25Sc_0.25Gd_0.25）₂O₃晶体光纤的生长和光谱表征尚未有报道。本研究旨在通过LHPG方法制备此类晶体光纤，并系统评估其在近红外激光应用中的结构和光谱特性。

在本研究中，首次通过LHPG方法成功生长了不同Tm³⁺掺杂浓度（2.0 at. %、4.0 at. %、8.0 at. %）的Tm:(Lu_0.25Y_0.25Sc_0.25Gd_0.25)₂O₃晶体光纤。通过X射线衍射测试测量了晶体的结构，并详细研究了不同浓度下的吸收光谱、荧光光谱和荧光衰减曲线。所有研究结果表明，Tm:(Lu_0.25Y_0.25Sc_0.25Gd_0.25)₂O₃晶体光纤在近红外激光领域具有广阔的应用前景。

章节摘录

晶体光纤生长

分别使用LHPG方法生长了Tm:(Lu_0.25Y_0.25Sc_0.25Gd_0.25)₂O₃晶体光纤，掺杂浓度分别为2.0 at. %、4.0 at. %、8.0 at. %。作为晶体光纤生长的原材料使用了纯度为99.999%的Tm₂O₃、Sc₂O₃、Y₂O₃、Lu₂O₃和Gd₂O₃粉末，并按照公式Tm_x(Lu_0.25-0.25xY_0.25-0.25xSc_0.25-0.25xGd_0.25-0.25x)₂O₃（x=0.02, 0.04, 0.08）进行称量。将称量后的粉末充分混合并研磨后，在压力下冷压成棒状

晶体结构

图2显示了不同掺杂浓度的Tm³⁺-掺杂（Lu_0.25Y_0.25Sc_0.25Gd_0.25)₂O₃晶体光纤的XRD图谱，以及标准参考图谱Tm₂O₃（PDF#82-2416）、Lu₂O₃（PDF#82-2475）、Y₂O₃（PDF#74-1828）、Sc₂O₃（PDF#74-1128）和Gd₂O₃（PDF#88-2165）。在所有测量图谱中均未观察到额外的杂质相。衍射峰位置和相对强度与标准参考数据一致，表明这些晶体为立方结构

结论

总之，首次通过LHPG方法成功生长了不同浓度（2.0%、4.0%、8.0%）的Tm:(Lu_0.25Y_0.25Sc_0.25Gd_0.25)₂O₃晶体光纤。室温下的XRD表征确认了所有光纤的立方晶体结构，晶格参数随浓度变化而变化。考虑到所有斯塔克效应成分，最大波长的三分之一处的带宽分别为55.52 nm（2.0 at.%）、56.63 nm（4.0 at.%）

CRediT作者贡献声明

孙柳音：撰写——初稿，实验研究。姜正远：数据管理。刘健：撰写——审稿与编辑，监督，资源提供，实验研究。刘鹏：监督，形式分析。徐晓东：撰写——审稿与编辑，数据管理。徐军：软件支持，资源提供。Kheirreddine Lebbou：方法论设计，实验研究

36.; 37..

作者声明没有利益冲突。

国家自然科学基金（62505118）；江苏省基础研究计划（编号BK20230685）。

?作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。