孫福軍, 楊曦凝,劉艷微

(1.國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司, 黑龍江 哈爾濱 150001; 2.黑龍江工程學院 材料與化學工程學院,黑龍江 哈爾濱 150050; 3.黑龍江工程學院 電氣與信息工程學院, 黑龍江 哈爾濱 150050)

Tm3+/Ho3+共摻Y(jié)AG晶體的光譜研究

孫福軍1, 楊曦凝2,劉艷微3

(1.國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司, 黑龍江 哈爾濱 150001; 2.黑龍江工程學院 材料與化學工程學院,黑龍江 哈爾濱 150050; 3.黑龍江工程學院 電氣與信息工程學院, 黑龍江 哈爾濱 150050)

研究以800 nm二極管激光器激發(fā)Tm3+/Ho3+共摻Y(jié)AG晶體的上轉(zhuǎn)換發(fā)光譜，觀察到Tm:1D2-3H6、Tm:1D2-3F4和Ho:5S2-5I8的上轉(zhuǎn)換發(fā)光躍遷。測量吸收光譜并應用Judd-Ofelt理論計算分析晶體中Ho3+離子的強度參數(shù)Ωt(t=2,4,6)、自發(fā)輻射躍遷幾率A和積分輻射截面。結(jié)果顯示：Tm3+/Ho3+共摻Y(jié)AG晶體中Ho3+離子的5I7-5I8能級躍遷對應2 μm輻射，其具有較長的能級壽命及合適的積分輻射截面，適合用于產(chǎn)生2 μm激光。

Ho3+；Judd-Ofelt理論；2 μm激光

激光器從發(fā)明到現(xiàn)在經(jīng)過了大約有半個多世紀的時間，現(xiàn)如今大量的使用在眾多領域包括軍事激光、醫(yī)療激光、工業(yè)激光、激光的科學研究以及娛樂與通信方面。近些年，2 μm固體激光器在光通信、相干激光雷達和醫(yī)用激光手術刀等方面具有較大應用價值，受到人們的關注。其中，紅外2 μm 波段激光器的輸出波長處于人眼安全的光譜帶，該波段光源處于水分子的吸收峰，可廣泛應用于腫瘤切除、牙齒治療、碎石、術后凝血、關節(jié)內(nèi)窺鏡檢查等激光醫(yī)療手術方面；同時，2 μm波段處于大氣窗口，可廣泛應用于雷達和大氣探測系統(tǒng)，實現(xiàn)氣態(tài)大氣成份(如 CO2、水蒸氣)以及有害氣體(如甲烷、CO)等氣體密度的測量及含量的探測，適時監(jiān)測地球的健康狀況，利用外差技術，2 μm 脈沖激光還可直接用于風速測量，這對于天氣預報、暴風雨跟蹤、航空燃料效率和航空安全至關重要。除此之外，也可直接應用于材料制造及加工、測距、光電對抗、光通信等方面。同時，高能量2 μm脈沖激光器也是光參量振蕩器(OPO)及其放大器的理想泵浦源。Tm3+離子的3F4→3H6躍遷，及Ho3+離子的5I7→5I8能級躍遷能夠發(fā)出2 μm光。目前，研究熱點以Tm3+離子為敏化劑，Ho3+為激活離子的Tm-Ho雙摻激光系統(tǒng)發(fā)射波長約2 μm的激光輻射[1-6]。本文研究Tm3+/Ho3+共摻Y(jié)AG晶體的熒光光譜及吸收光譜，Tm3+/Ho3+共摻Y(jié)AG晶體是一種潛在的2 μm激光器工作物質(zhì)。

1 實 驗

以800 nm半導體二極管激光器發(fā)出激光，經(jīng)透鏡聚焦照射到樣品表面，樣品與光譜儀狹縫平行放置，樣品的熒光通過狹縫耦合進入分光光度計，經(jīng)分光光度計內(nèi)的光柵分光照射到光電倍增管，光電倍增管連接到數(shù)據(jù)采集卡，由數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)后傳到電腦，得到熒光光譜，如圖1所示。以800 nm半導體二極管激光器激發(fā)Tm3+/Ho3+共摻Y(jié)AG晶體的上轉(zhuǎn)換熒光譜。其中，316 nm為Tm:1D2-3H6的能級躍遷，456 nm為Tm:1D2-3F4的能級躍遷，509 nm為Ho:5S2-5I8的能級躍遷；Ho:5S2-5I8的強度遠高于Tm:1D2-3H6和Tm:1D2-3F4，可見，在產(chǎn)生上轉(zhuǎn)換的情況下，Ho:5S2-5I8對上轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的貢獻要遠大于Tm:1D2-3H6和Tm:1D2-3F4。

圖1 800 nm激發(fā)時Tm3+/Ho3+共摻Y(jié)AG晶體的上轉(zhuǎn)換熒光光譜

2 計 算

吸收光譜可以給出材料基質(zhì)和激活離子的激發(fā)態(tài)能級的位置和他們的分布情況，還能夠確定激光晶體的泵浦波長范圍。為了更加詳細地研究Tm3+/Ho3+共摻Y(jié)AG晶體的光譜性能(見圖2)，用J-O理論進行光譜參數(shù)計算。

圖2 Tm3+/Ho3+共摻Y(jié)AG晶體的吸收光譜

根據(jù)J-O三參量公式[7-8]，理論電偶極子躍遷強度Sed為

(1)

約化元〈lnΨJ‖U(λ)‖lnΨ′J′〉對基質(zhì)的變化不明顯，可以查詢得到[9-10]。

實驗振子強度可以由式(2)確定。

Smeas(J→J′)=

(2)

式中：n為反射系數(shù)，N0是稀土離子濃度，λm對應吸收帶的平均波長，α(λ)為對應波長的吸收系數(shù)，c為光速，h為普朗克常數(shù)[9-10]。

電偶極躍遷幾率為

(3)

電偶極躍遷幾率即為熒光自發(fā)輻射幾率，其正比于熒光強度。

經(jīng)計算可得

Ω2=5.98×10-20cm2，

Ω4=0.277×10-20cm2，

Ω6=2.54×10-20cm2.

理論計算結(jié)果顯示，從發(fā)射截面看，發(fā)射截面越大，越容易發(fā)射激光，參照表1，5F4-5I8躍遷應更易于實現(xiàn)激光的產(chǎn)生，從光譜圖1中可見，綠光輻射相對較強，但是從圖2中所示5F4-5I8躍遷對應的吸收相對很小，泵浦效率相對較低。從熒光壽命看，熒光壽命為自發(fā)輻射系數(shù)的倒數(shù)，能級壽命越長，離子能夠停留在該能級時間越長，從而越容易實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)激光輸出。參照表1，5I7-5I8躍遷為2 μm輻射，其所對應的壽命更長，容易實現(xiàn)2 μm激光輸出。因此，由J-O理論計算表面，針對Tm3+/Ho3+共摻Y(jié)AG晶體中Ho3+離子，541 nm和2 μm輻射適合作為激光輸出。

表1 Tm3+/Ho3+共摻Y(jié)AG晶體中Ho3+離子部分能級間躍遷的自發(fā)輻射系數(shù)及積分發(fā)射截面

3 結(jié)束語

本文測量了Tm3+/Ho3+共摻Y(jié)AG晶體在室溫的熒光譜及吸收光譜，以Judd-Ofelt三參量公式計算了Tm3+/Ho3+共摻Y(jié)AG晶體中Ho3+的強度參數(shù)Ωt(t=2, 4, 6)。根據(jù)理論計算得到的自發(fā)輻射系數(shù)及積分發(fā)射截面，分析得出5F4-5I8躍遷(541 nm)和5I7-5I8躍遷(2 μm)較為適合作為激光輸出。Tm3+/Ho3+共摻Y(jié)AG晶體是一種較為合適的激光晶體。

[1] SANGHWA J, NAYOUN W, JINSIK L, et al. Multiplexed near-infrared in vivo imaging complementarily using quantum dots and upconverting NaYF4:Yb3+,Tm3+nanoparticles[J]. Chem Commun, 2011, 47(28): 8022-8024.

[2] YENKUANG K,YIAN C. Numerical study of passive Q switching of a Tm:YAG laser with a Ho:YLF solid-state saturable absorber[J]. Appl Opt, 2003, 42(9): 1685-1691.

[3] 李晨霞, 康娟, 鄭飛, 等. Ho3+/Yb3+共摻的氧氟硅酸鹽微晶玻璃上轉(zhuǎn)換發(fā)光[J]. 中國激光, 2009, 36(5): 1184-1189.

[4] 楊文琴. Tm, Ho雙摻雜YVO4晶體中Tm 對Ho 敏化發(fā)光現(xiàn)象[J]. 發(fā)光學報, 2001, 22(2): 175-181.

[5] LI S S, XIA H P, DONG Y M, et al. Luminescent properties of Tm3+/ Ho3+co-doped LiYF4 crystals[J]. Optoelectronics Letters, 2014, 10(6): 443-446.

[6] WANG X, FAN X K, GAO S,et al.Spectroscopic properties of Tm3+-Ho3+codoped SiO2- Al2O3-CaO-SrO glassesCeramics International[J]. 2014, 40: 9751.

[7] JUDD B R. Optical absorption intensities of rare-earth ions[J]. Phys. Rev. 1962, 127 (3): 750-761.

[8] OFELT G S. Intensities of crystal spectra of rare-earth ions[J]. J. Chem. Phys. 1962, 37 (3): 511-520

[9] NIELSON C W,KOSTER G F. Spectroscopic Coefcients for Pn,dn and fn Congurations (MIT Press, Cambridge, MA, 1964): 53-63.

[10] WEBER M J. Probalities for radiative and nonradiative decay of Er3+ in LaF3[J], Phys. Rev. B. 1967, 157: 262-272.

[責任編輯：郝麗英]

Spectroscopic study of Tm3+/Ho3+codoped YAG crystal

SUN Fujun1,YANG Xining2, LIU Yanwei3

(1. Heilongjiang Electric Power Co., Ltd, Harbin 150001 Heilongjiang; 2. College of Materials and Chemical Engineering, Heilongjiang Institute of Technology, Harbin 150050 Heilongjiang; 3. College of Electrical and Information Engineering, Heilongjiang Institute of Technology, Harbin 150050 Heilongjiang)

The luminescent properties of the Tm3+/Ho3+codoped YAG crystal is investigated through excitation by 800 nm diode laser. The transition of Tm:1D2-3H6、Tm:1D2-3F4和Ho:5S2-5I8are observed. The absorption spectrum of Tm3+/Ho3+codoped YAG crystal is measured, and Judd-Ofelt theoretical is used to analyze the three phenomenological intensity parameters Ωt(t=2, 4, 6), the transition probability of the spontaneous radiation and integral radiation cross section of Ho3+ion. Results show the Ho3+ions in Tm3+/Ho3+codoped YAG crystal has longer level lifetime and suitable integral radiation section, which is suitable to produce 2 μm laser.

Ho3+; Judd-Ofelt theory; 2μm laser

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2017.03.011

2017-03-16

黑龍江省教育廳科學技術研究項目(12541653)

孫福軍(1963-)，男，高級工程師，研究方向：電力系統(tǒng)及其自動化.

O433

A

1671-4679(2017)03-0042-02