Er/Yb雙摻雜Li6Y(BO3)3晶體的偏振光譜性能

趙玉偉，解 瑩

(1河北科技師范學(xué)院物理系，2河北科技師范學(xué)院分析測試中心，河北秦皇島，066004)

Er3+離子的4I13/2→4I15/2躍遷能夠產(chǎn)生1 550 nm波段的光，此波段的光由于對人眼安全，大氣傳輸性能好，可以制成對人眼安全的激光測距儀;此外，1 550 nm波段的光位于石英光纖的最低衰耗窗口，通過在光纖中摻入Er3+離子作為激光離子制成的摻鉺光纖放大器(Erbium-doped Fiber Amplifier，EDFA)，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于光纖通訊中［1～5］。但由于Er3+離子在900～1 000 nm處的吸收較弱而高濃度摻雜又會帶來諸如濃度猝滅和輻射陷阱等問題，常用的解決方法是摻入Yb3+離子，因為Yb3+離子只有2個能級，且能級間距為10 000 cm－1，恰好與InGaAs激光器的輸出波長相對應(yīng)［6～10］。Li6Y(BO3)3(以下簡稱LYB)晶體屬于硼酸鹽晶體，具有較好的物理化學(xué)性能，同時聲子能量相對較高，利于Er3+離子的4I11/2能級的粒子快速馳豫到4I13/2能級，從而抑制了上轉(zhuǎn)換的發(fā)生，這些特點有利于1 550 nm附近的激光輸出。Er單摻LYB晶體由于較大的發(fā)射截面和較寬的發(fā)射帶，被認(rèn)為是一種潛在的可應(yīng)用于調(diào)諧或超短脈沖激光的介質(zhì)［11］。對Yb3+離子摻雜LYB晶體的光譜性能和激光測試也表明其是短脈沖激光的優(yōu)秀介質(zhì)［12，13］。然而，到目前為止，還沒有Er/Yb雙摻雜LYB晶體的光譜性能的報道。筆者采用提拉法生長得到了Er/Yb雙摻雜的LYB晶體，在室溫下記錄了晶體的偏振吸收和發(fā)射光譜，測定了1 030 nm和1 535 nm處的熒光衰減曲線。

1 實驗方法

Er/Yb雙摻雜的LYB晶體由提拉法生長得到，具體過程參見文獻［14］。1塊4.62×4.62×6.04 mm3晶體被定向切割，每個面都平行于晶體的1條折射率主軸，所有面都經(jīng)過拋光以滿足光譜測試的要求。晶體中Er3+和Yb3+離子的格位濃度經(jīng)ICP-AES方法測定分別為0.95×1020cm－3和0.78×1020cm－3。

LYB晶體的吸收光譜的測量是在Perkin-Elmer公司的Lambda 900型分光光度計上進行的。掃描范圍為300～1 700 nm，掃描速度為60 nm/min，光譜精度為1.0 nm。熒光光譜的測量使用的儀器為英國Edinburgh公司的FL920分光光度計，激發(fā)波長為969 nm，掃描波長為1 400～1 700 nm。1 535 nm和1 030 nm處的熒光衰減曲線的測量中，采取的激發(fā)光源為英國Edinburgh公司F900型微秒氙燈，激發(fā)波長分別為977 nm和940 nm，探測裝置為日本Hamamatsu公司的R5509型近紅外光電倍增管。所有的光譜測試均在室溫下進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 偏振吸收譜

圖1所示為Er/Yb雙摻雜LYB晶體的室溫偏振吸收光譜。共有10個吸收譜帶被探測到，除去900～1 100 nm波段吸收譜帶外，其它9個譜帶分別對應(yīng)Er3+離子4I15/2基態(tài)能級到4G9/2+2K15/2+2G7/2，4G11/2，2H9/2，4F5/2+4F3/2，4F7/2，2H11/2+4S3/2，4F9/2，4I9/2，4I13/2激發(fā)態(tài)能級的吸收躍遷。需要特別注意的是，最強的兩個峰出現(xiàn)在377 nm和520 nm，分別對應(yīng)4I15/2→4G11/2和4I15/2→2H11/2躍遷。這兩個躍遷被認(rèn)為是超敏躍遷，屬于電四級-電四級躍遷。在900～1 100 nm波段，由于Er3+離子的4I15/2→4I11/2的吸收譜帶與Yb3+離子的2F7/2→2F5/2的吸收譜帶重疊，而且由于Yb3+離子在這個譜帶的吸收較強，所以在雙摻雜晶體中，這個譜帶的譜線強度非常強。在此波段，吸收系數(shù)的最大峰值均出現(xiàn)在968 nm處。在E//X，E//Y，E//Z 等3 個方向上分別為 1.23，1.24，1.24 cm－1，而 1.01 ×1020cm－3Er3+離子濃度下單摻雜 LYB 晶體［14］在此波長的吸收系數(shù)分別為0.30，0.26，0.21 cm－1。與 Er3+離子單摻雜 LYB 晶體相比，900～1 100 nm處的吸收系數(shù)顯著增大，這表明Yb3+離子的引入提高了對此波段光的吸收，可使In-GaAs泵浦Er3+離子激光更有效。

2.2 偏振發(fā)射譜和熒光衰減曲線

圖2表示室溫下的偏振發(fā)射光譜。從圖中可以看出，在E//X，E//Y，E//Z等3個方向上最強發(fā)射峰分別出現(xiàn)在1 536.5，1 534.5，1 537.5 nm。發(fā)射光譜表現(xiàn)為1 450～1 650 nm寬達200 nm的寬帶發(fā)射，可與商用的Er摻雜ZBLAN玻璃相比擬，表明Er/Yb摻雜LYB晶體可用于可調(diào)諧或超短脈沖激光。

圖3表示1 030 nm處的熒光衰減曲線。由于存在Yb3+和Er3+離子之間的能量傳遞，1 030 nm處的衰減曲線不再遵循單指數(shù)規(guī)律，Yb3+離子2F5/2能級的熒光壽命可由下式計算得到

其中I0為t=0處的熒光強度。Yb3+離子的2F5/2能級的壽命經(jīng)計算為447 μs。Yb3+與Er3+離子之間的能量傳遞效率可由下式計算得到

其中 τ0為Yb3+離子單摻 LYB 晶體的2F5/2能級的壽命，約為1 100 μs［12］。這樣，Yb3+與 Er3+離子之間的能量傳遞效率約為59%。

圖4表示1 535 nm處的熒光衰減曲線。此處衰減符合單指數(shù)規(guī)律，經(jīng)擬合，Er3+離子4I13/2能級的壽命為550 μs。與 Er3+單摻 LYB 晶體［11］相比(448 μs)，能級壽命增長，這可能是由于 Yb3+與 Er3+離子之間的能量傳遞減緩了Er3+離子4I13/2能級的衰減。

圖1 室溫下Er/Yb雙摻雜LYB晶體的偏振吸收光譜

圖3 室溫下Er/Yb雙摻雜LYB晶體在1 030 nm處的熒光衰減曲線，激發(fā)波長為940 nm

圖4 室溫下Er/Yb雙摻雜LYB晶體在1 535 nm處的 熒光衰減曲線，激發(fā)波長為977 nm

3 結(jié) 論

由提拉法生長得到了Er/Yb雙摻雜的Li6Y(BO3)3晶體，測定了室溫下的偏振吸收和發(fā)射光譜，Yb3+離子2F5/2能級的壽命為447 μs，Yb3+與Er3+離子之間的能量傳遞效率約為59%，在1 550 nm波長附近寬達200 nm的寬帶發(fā)射以及Yb3+與Er3+離子之間有效的能量傳遞表明Er/Yb雙摻雜的Li6Y(BO3)3晶體是一種潛在的可用于可調(diào)諧及超短脈沖激光的介質(zhì)。

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圖2 室溫下Er/Yb雙摻雜LYB晶體的偏振發(fā)射光譜，激發(fā)波長為969 nm

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(責(zé)任編輯:朱寶昌)