超强激光科学卓越创新简报
(第五百七十五期)
2024年12月10日
上海光机所在新型掺铥无序结构激光晶体研究方面取得进展
近期，中国科学院上海光学精密机械研究所先进激光与光电功能材料部激光晶体研究中心在新型掺铥无序结构激光晶体研究方面取得进展，相关成果以“Growth, structure and spectroscopic properties investigation on a novel Tm3+-doped disordered Ca(GdxY1-x)Al3O7 hybrid melilite crystal”为题发表于Journal of Alloys and Compounds。
2 µm波段激光器在光通信、医疗以及大气环境科学等领域有广泛的应用。由于Tm3+的3F4→3H6跃迁对应于~2 µm处荧光发射带，因此Tm3+掺杂激光晶体是实现~2 µm波段激光输出的重要增益介质。近年来，Tm3+掺杂无序结构激光晶体引起了研究人员的广泛关注，无序结构晶体场导致的光谱非均匀展宽使晶体在~2 µm处发射带具有相当宽的带宽，很适合应用于该波段的调谐及超快激光输出。
研究团队采用光学浮区法，首次成功生长出Tm3+掺杂Ca(GdxY1-x)Al3O7（Tm:CGYAM）无序结构激光晶体，并对其晶体结构与光谱特性开展了研究。晶体中心波长788.5 nm的吸收带半峰宽（FWHM）为34.5 nm，对应吸收截面为0.44 ×10-20 cm2。其在~2 µm处发射带呈现双峰构型，峰值1785 nm与1945 nm处发射截面分别为0.321 ×10-20 cm2和0.324 ×10-20 cm2，整个发射带的FWHM达317 nm，这是目前已知掺Tm3+晶体中最宽的发射带宽。此外，该晶体Tm3+:3F4能级荧光寿命为4.55 ms，其1771-2200 nm波段内的增益截面在粒子反转率仅为10%时即可达到正值。这些光谱性质研究结果验证了Tm:CGYAM晶体的宽带吸收、宽带发射及宽增益谱等特性，表明了该晶体在~2 µm波段调谐及超快激光应用中的潜力。
上述工作得到了中国科学院、上海市等项目的支持。
图1. Tm:CGYAM晶体荧光发射谱
图2. Tm:CGYAM晶体Tm3+:3F4能级荧光寿命
图3. Tm:CGYAM晶体增益截面
