PDF《高浓度 Er3+ 掺杂 Y3Sc2Ga3O12 晶体的吸收光谱与》

物理学报Acta Phys.

Sin. Vol. 63, No.

14 (2014)

144205 高浓度Er3+ 掺杂Y3Sc2Ga3O12晶体的吸收光谱与 晶体场模型研究? 高进云 孙敦陆? 罗建乔 李秀丽 刘文鹏 张庆礼 殷绍唐 (中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽省光子器件与材料重点实验室, 合肥 230031) (

2014 年1月19 日收到;

2014 年2月26 日收到修改稿 ) 采用提拉法生长出了高浓度掺铒 (35 at%) 钇钪镓石榴石 (Er : YSGG) 激光晶体. 测试了该晶体在 340―1700 nm 波段内的吸收光谱, 对其中 Er3+ 的实验能级进行了分析指认. 用Er : YSGG 的102 个实验 Stark 能级, 拟合了它的自由离子参数和晶体场参数, 均方根误差 (拟合精度) σ 为10.34 cm?1 . 结果表明, 参数化 Stark 能级的拟合结果与实验光谱符合得较好. 将拟合得到的 Er : YSGG 实验结果与文献中已报道 Er : YAG 的自由离子参数和晶体场参数进行了比较. 指出 Er : YSGG 具有较强的晶体场相互作用或许是其 激光效率较高的主要原因之一. 关键词: Er3+ : Y3Sc2Ga3O12 晶体, 吸收光谱, 晶体场模型, 能级拟合 PACS: 42.70.Ca, 81.10.Ch, 71.70.Ch, 75.10.Dg DOI: 10.7498/aps.63.144205

1 引言Er3+ 是一种优良的稀土激活离子, 它是由 Er 原子 (外层电子分布为 4f12 6s2 ) 的4f 电子层失去一 个电子和 6s 电子层失去两个电子所形成的, 基态 的电子结构为 4f11 , 离子半径为 0.88 ?. Er 离子在 可见光波段和红外波段可以发射

489 nm,

550 nm, 1.54 ?m 和2.7―3.0 ?m 波长的激光, 分别对应于

4 F7/2 →

4 I15/2,

4 S3/2 →

4 I15/2,

4 I13/2 →

4 I15/2 和4I11/2 →

4 I13/2 的跃迁. Er 离子激光操作方便, 在 激光测距、 激光通讯、 激光医疗等领域有着广泛的 应用[1?5] . 高浓度 Er 掺杂 (30 at%―50 at%) 的钇钪镓石 榴石 (YSGG) 激光晶体可以产生 2.7―3.0 ?m 的 中红外激光输出. 首先, 由于这个波段处于水的 强吸收区, 因此在生物医学中已有了广泛的应 用;

其次, 由于在太空中水汽含量大量减少, 因此 2.7―3.0 ?m 波段激光可以直接用于太空军事及 科研;

第三, 2.7―3.0 ?m 激光还可以作为光参量 振荡的光源, 泵浦非线性光学晶体 ZnGeP2 等, 实现3―15 ?m 的中远红外激光输出 [6?9] . 鉴于上述 几个方面的重要应用, 作为核心部件的激光晶体 Er : YSGG自然成为了人们关注的热点. 近几十年来, 参数化晶体场模型被广泛应用于 各种激活离子掺杂的石榴石结构晶体, 参数化哈 密顿项包括库仑相互作用、 自旋轨道相互作用、 晶 体场相互作用以及组态相互作用等.

1967 年, We- ber[10] 报道了Er3+ 掺杂LaF3 的辐射和非辐射衰减 的特性;

1998 年, Gruber 等[11] 报道了 Er3+ 掺杂 YAG 和YSAG 的能级计算和晶体场分析;

段昌奎 等[12] 报道了Nd3+ 和Er3+ 掺杂YAP的UV光谱和 晶体场模型分析;

随后 Rudowicz 等[13] 报道了稀土 化合物的晶体场参数及其多重态能级拟合方法. 本文报道采用提拉法生长的 Er : YSGG 激光 晶体, 并测试了其波长为 340―1700 nm 的吸收光 谱. 通过吸收光谱的能级指认, 对Er : YSGG 晶体 进行了能级拟合, 获得了自由离子参数和晶体场参 ? 国家自然科学基金 (批准号: 51172236, 91122021, 51272254, 61205173, 50932005) 资助的课题. ? 通讯作者. E-mail: dlsun@aiofm.ac.cn ?

2014 中国物理学会 Chinese Physical Society http://wulixb.iphy.ac.cn 144205-1 物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 63, No.