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(duì)人眼安全，大氣傳輸性能好，可以制成對(duì)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(huì)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?yàn)閅b3+離子只有2個(gè)能級(jí)，且能級(jí)間距為10 000 cm－1，恰好與InGaAs激光器的輸出波長相對(duì)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(shí)聲子能量相對(duì)較高，利于Er3+離子的4I11/2能級(jí)的粒子快速馳豫到4I13/2能級(jí)，從而抑制了上轉(zhuǎn)換的發(fā)生，這些特點(diǎn)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(duì)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(bào)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(shí)驗(yàn)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(xiàn)［14］。1塊4.62×4.62×6.04 mm3晶體被定向切割，每個(gè)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(jì)上進(jìn)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(jì)，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(jìn)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(gè)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(gè)譜帶分別對(duì)應(yīng)Er3+離子4I15/2基態(tài)能級(jí)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(jí)的吸收躍遷。需要特別注意的是，最強(qiáng)的兩個(gè)峰出現(xiàn)在377 nm和520 nm，分別對(duì)應(yīng)4I15/2→4G11/2和4I15/2→2H11/2躍遷。這兩個(gè)躍遷被認(rèn)為是超敏躍遷，屬于電四級(jí)-電四級(jí)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(gè)譜帶的吸收較強(qiáng)，所以在雙摻雜晶體中，這個(gè)譜帶的譜線強(qiáng)度非常強(qiáng)。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(gè)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(duì)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(gè)方向上最強(qiáng)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(dá)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(jí)的熒光壽命可由下式計(jì)算得到

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

其中 τ0為Yb3+離子單摻 LYB 晶體的2F5/2能級(jí)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(jí)的壽命為550 μs。與 Er3+單摻 LYB 晶體［11］相比(448 μs)，能級(jí)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(jí)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(jí)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(dá)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)