Nd:YSAG單晶的光譜和激光性能?

魯萬成 張慶禮 羅建喬 丁守軍 竇仁勤 彭方張會(huì)麗 王小飛 孫貴花 孫敦陸

1)(中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所,安徽省光子器件與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,合肥 230031)

2)(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),合肥 230026)

1 引 言

Nd:YAG晶體作為一種非常成熟的激光工作物質(zhì),其有高增益、高效率、低激光閾值、高光學(xué)品質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)[1,2].但是由于離子間的交叉弛豫使得Nd3+離子在較高摻雜濃度時(shí)會(huì)引起激光效率降低,并且其本身的熒光譜線較窄,難以實(shí)現(xiàn)皮秒激光輸出.當(dāng)Sc3+離子摻雜YAG中時(shí),由于Sc3+離子半徑大于Al3+離子半徑而小于Y3+離子半徑,它會(huì)優(yōu)先取代Al3+離子位置,使YAG晶胞增大,Nd3+離子間距增大,在減輕Nd3+離子濃度猝滅效應(yīng)的同時(shí)可增加其熒光譜線的線寬.

Cornacchia等[3]采用微下拉技術(shù)成功生長出Nd:YSAG單晶.Allik等[4]采用提拉法生長Nd:YSAG晶體,并研究了其光譜與激光特性,獲得激光二極管(LD)抽運(yùn)激光斜效率最大為9%.近年來對YSAG的研究以透明陶瓷居多,Saikawa等[5]和Sato等[6]主要研究了Yb:YSAG和Nd:YSAG透明陶瓷的激光特性;Gheorghe等[7]研究了Sm:YSAG透明陶瓷的組分與其光學(xué)特性的關(guān)系;馮濤等[8?10]研究了摻雜Ce,Pr,Nd的YSAG透明陶瓷的光學(xué)特性,成功制備出Nd:YSAG透明陶瓷[10],其LD抽運(yùn)激光輸出斜效率達(dá)到23.6%.這與此前報(bào)道的Nd:YSAG單晶的LD抽運(yùn)激光性能相差較大,因而有必要進(jìn)一步評估其作為激光晶體的潛力.

本文采用提拉法生長Nd:YSAG晶體,其中Nd3+離子濃度為1.5 at.%.通過薄膜X射線衍射儀得到樣品搖擺曲線,得出晶體質(zhì)量表征.采用PerkinElmer lambda-950UV/VIS/NIR分光光度計(jì)測量樣品的透過譜,FLSP-920光譜儀測試樣品的熒光光譜以及熒光壽命.通過LD抽運(yùn),獲得Nd:YSAG單晶的激光輸出數(shù)據(jù).

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 單晶樣品制備

本文采用提拉法生長Nd3+離子摻雜的Y3Sc2Al3O12晶體.首先根據(jù)化學(xué)計(jì)量比Y3+:Sc3+:Al3+=3:2:3(其中 Nd3+:Y3+=0.044:0.956)準(zhǔn)確稱取原料Y2O3(5N),Sc2O3(5N),Al2O3(5N),Nd2O3(5N).原料充分混合后,在1200°C煅燒24 h作為晶體生長原料.生長晶體尺寸Φ30 mm×60 mm,轉(zhuǎn)速10 r/min,拉速0.4 mm/h[11].晶體生長結(jié)束后在硅鉬棒退火爐中1480°C下退火72 h,將獲得的晶體加工成15 mm×15 mm×1.3 mm的雙面拋光的薄片以作為光譜測試樣品,加工成2 mm×2 mm×6 mm端面平行拋光的小棒作為激光實(shí)驗(yàn)晶體.

2.2 樣品測試

采用X’pert Pro薄膜X射線衍射儀測試樣品的單晶搖擺曲線,掃描方式為連續(xù)掃描,掃描步長為0.01°/s, 掃描范圍23.52°—26.44°. 采用PerkinElmer lambda-950UV/VIS/NIR分光光度計(jì)測量樣品的透過譜,測量范圍為250—900 nm,步長為1 nm.使用FLSP-920光譜儀測試樣品的熒光光譜以及熒光壽命,測試熒光光譜所用的光源為氙燈,測量范圍為850—1400 nm,測試Nd3+離子4F3/2→4I11/2躍遷的熒光壽命所用光源為微秒燈,所有測量均在室溫下進(jìn)行.使用日本JEOL JXA-8100型電子探針顯微分析儀測試晶體內(nèi)離子濃度,總共測試晶體放肩部分四個(gè)點(diǎn).

3 結(jié)果與討論

3.1 YSAG晶體結(jié)構(gòu)與質(zhì)量表征

提拉法生長的Nd:YSAG晶體如圖1所示.電子探針測得四個(gè)點(diǎn)Nd3+離子的平均原子濃度百分比為0.2277%,Y3+離子的平均原子濃度百分比為14.4913%,由此計(jì)算得到晶體放肩部分的摻雜濃度為1.5 at.%.可以根據(jù)原始配料計(jì)算出分凝系數(shù)為0.35,文獻(xiàn)[11]中Nd3+在YSAG中的分凝系數(shù)為0.32,相比較可見本文測量結(jié)果可靠.從圖1可以看出,晶體透明,有部分裂紋.開裂原因可能是生長晶體的溫場梯度較大,溫度梯度引起的應(yīng)力與摻雜晶體晶格畸變引起的內(nèi)應(yīng)力共同作用所致.

圖1 (網(wǎng)刊彩色)提拉法生長的(1.5 at.%)Nd:YSAG晶體Fig.1.(color online)(1.5 at.%)Nd:YSAG crystal grown by Czochralski method.

用X射線衍射儀對等徑部分1.3 mm厚的薄片進(jìn)行測試,所得的搖擺曲線如圖2所示.從圖2可以看出,搖擺曲線的峰形尖銳、左右對稱、無劈裂和雙峰,衍射峰形的半高全寬值為0.05°,結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)所得晶體結(jié)晶完整,應(yīng)力較小,晶體質(zhì)量很好.

圖2 (1.5 at.%)Nd:YSAG晶體X射線搖擺曲線Fig.2.X-ray rocking curve of(1.5 at.%)Nd:YSAG crystal.

3.2 Nd3+的光譜及其熒光壽命

圖3 為Nd:YSAG與Nd:YAG的透過譜在波長250—900 nm范圍的對比.從圖3可以看出,在Nd3+離子非吸收帶處Nd:YSAG晶體的透過率為82%,Nd:YAG晶體的透過率為84%.Nd3+離子的最強(qiáng)吸收帶都位于770—830 nm之間,最強(qiáng)吸收峰在808.9 nm處重合.

圖4給出了Nd:YSAG晶體在808 nm激發(fā)下850—1400 nm范圍內(nèi)的熒光光譜.從圖4中可以看出,Nd:YSAG晶體在波長850—1400 nm范圍內(nèi)主要有3個(gè)發(fā)射帶,在室溫下位于865—946 nm,1035—1135 nm 和1310—1365 nm范圍,分別對應(yīng)于Nd3+離子4F3/2→4I9/2,4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2躍遷.其中最強(qiáng)發(fā)射帶為4F3/2→4I11/2躍遷的1035—1135 nm處,最強(qiáng)發(fā)射峰位于1059 nm.與Nd:YAG晶體的熒光光譜相比較,Nd:YSAG的所有峰偏向短波長方向.

圖3 (網(wǎng)刊彩色)(1.5 at.%)Nd:YSAG晶體在波長250—900 nm范圍內(nèi)的透過譜Fig.3.(color online)Transmittance spectra of(1.5 at.%)Nd:YSAG crystal in 250–900 nm.

圖4 (網(wǎng)刊彩色)808 nm激發(fā)下(1.5 at.%)Nd:YSAG在波長850—1400 nm范圍內(nèi)的熒光光譜Fig.4.(color online)Fluorescence spectra of(1.5 at.%)Nd:YSAG in 850–1400 nm under 808 nm excitation.

f能級到i能級的發(fā)射截面σfi公式為

式中λ為真空中的波長;c為真空中的光速;n為折射率;對于1.06μm的躍遷,τ為能級壽命,β為4F3/2→4I11/2的熒光分支比,?(λ)為線型函數(shù),

其中積分是對整個(gè)4F3/2→4I11/2的發(fā)射帶進(jìn)行.根據(jù)文獻(xiàn)可知,Nd:YSAG和Nd:YAG的1.06μm熒光分支比β分別為49.4%和50%[4],Nd:YSAG在1059 nm的折射率n=1.86[4],Nd:YAG在1064 nm的折射率是1.82[12],上能級壽命分別為253μs和235μs[13]. 按同樣的方法計(jì)算了Nd:YAG的4F3/2→4I11/2的發(fā)射截面(如圖5所示),Nd:YSAG在1059 nm的發(fā)射截面和Nd:YAG在1064 nm的發(fā)射截面分別為1.03×10?19cm2和0.98×10?19cm2.

圖5(網(wǎng)刊彩色)Nd:YSAG與Nd:YAG4F3/2→4I11/2躍遷的發(fā)射截面Fig.5.(color online)The emission cross section of 4F3/2→4I11/2transition in Nd:YSAG and Nd:YAG.

圖6 為室溫下Nd:YSAG晶體4F3/2能級的熒光衰減曲線,通過單指數(shù)擬合[14]得出熒光壽命為253μs. 根據(jù)文獻(xiàn)[13],Nd3+離子摻雜濃度為1.0 at.%時(shí)Nd:YAG的4F3/2能級壽命為235μs,相比之下Nd3+離子摻雜濃度為1.5 at.%時(shí)Nd:YSAG熒光壽命高約20μs,表明Sc3+離子的摻雜確實(shí)有助于降低Nd3+離子的濃度猝滅效應(yīng),提高能級壽命,從而提高儲(chǔ)能效率.

圖6 (網(wǎng)刊彩色)(1.5 at.%)Nd:YSAG晶體4F3/2能級的熒光衰減曲線Fig.6.(color online)Decay time of the4F3/2manifold of(1.5 at.%)Nd3+in YSAG.

3.3 Nd:YSAG的激光性能

圖7 為Nd:YSAG單晶LD抽運(yùn)激光實(shí)驗(yàn)裝置示意圖[15,16],抽運(yùn)源為中心波長為808 nm的連續(xù)LD激光器,輸入鏡與輸出鏡都為平面鏡,輸入鏡鍍1064 nm全反膜,輸出鏡鍍1064 nm高反膜,透過率T=5.2%,諧振腔腔長12 mm.晶體小棒加工尺寸為2 mm×2 mm×6 mm,端面平行拋光,且未鍍膜.為確保晶體散熱,實(shí)驗(yàn)過程使用水循環(huán)冷卻,水溫保持在16°C.

圖7 (網(wǎng)刊彩色)Nd:YSAG單晶LD抽運(yùn)激光實(shí)驗(yàn)裝置Fig.7.(color online)Scheme of LD-pumped Nd:YSAG single crystal laser.

根據(jù)圖7的實(shí)驗(yàn)裝置獲得的激光輸出功率曲線如圖8所示.激光閾值為0.85 W,在6.02 W的抽運(yùn)功率下獲得了1.1 W的輸出功率,激光斜效率為21.1%,光-光轉(zhuǎn)化效率為18.3%.根據(jù)文獻(xiàn)[10]的數(shù)據(jù),(1.0 at.%)Nd:YSAG透明陶瓷激光閾值為0.4 W,斜效率為23.6%,光-光轉(zhuǎn)化效率為18%,在斜效率與光-光轉(zhuǎn)化效率接近的情況下,Nd:YSAG單晶閾值較高,可能是因?yàn)閾诫s濃度高,工作體積內(nèi)Nd3+離子數(shù)較多的緣故.文獻(xiàn)[4]中Nd:YSAG單晶LD抽運(yùn)激光輸出數(shù)據(jù)表明,其獲得的最大斜效率為9%,而本次實(shí)驗(yàn)獲得的激光斜效率為21.1%,表明Nd:YSAG也是優(yōu)良的激光工作物質(zhì).根據(jù)圖8的數(shù)據(jù),當(dāng)抽運(yùn)功率從1 W增加到6 W時(shí),抽運(yùn)功率與輸出功率仍然呈線性關(guān)系.若能進(jìn)一步提高晶體質(zhì)量,優(yōu)化激光實(shí)驗(yàn)參數(shù),有望獲得更高的激光效率.

圖8 (網(wǎng)刊彩色)808 nm LD抽運(yùn)(1.5 at.%)Nd:YSAG 1059 nm激光輸出功率Fig.8.(color online)Laser output power of(1.5 at.%)Nd:YSAG at 1059 nm pumped by 808 nm LD.

4 結(jié) 論

本文通過采用提拉法生長了(1.5 at.%)Nd3+:YSAG晶體,其4F3/2→4I11/2的最強(qiáng)發(fā)射波長為1059 nm,發(fā)射截面為1.03×10?19cm2,與Nd:YAG在1064 nm的發(fā)射截面0.98×10?19cm2相當(dāng);4F3/2能級壽命為253μs,比YAG高約20μs,具有更好的儲(chǔ)能效率.根據(jù)LD抽運(yùn)激光實(shí)驗(yàn),獲得激光閾值為0.85 W,最高輸出功率為1.1 W,激光斜效率為21.1%,光-光轉(zhuǎn)化效率為18.3%.結(jié)果表明Nd:YSAG是一種性能優(yōu)良的激光晶體.

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