LHPG法生长的Nd:Lu?Y?Al?O??单晶光纤的光谱特性

《Journal of Luminescence》：Spectroscopic properties of LHPG-grown Nd:Lu xY 3-xAl 5O 12 single crystal fibers

采用激光加热 pedestal growth 法成功制备了不同Lu3+浓度的Nd:LuYAG晶体光纤，系统研究了Lu3+/Y3+比例对结构、吸收及发射性能的影响，发现其吸收光谱兼具Nd:YAG高截面和Nd:LuAG宽带特性，经Judd-Ofelt分析表明优化比例可有效提升激光性能，为YAG替代材料提供潜在方案。

　　

Zebin Wang|Guyot Yannick|Chong Xu|Jian Liu|Xiaodong Xu|Kheirreddine Lebbou|Jun Xu

江苏师范大学物理与电子工程学院先进激光材料与器件重点实验室，中国徐州221116

摘要

采用激光加热基座生长（LHPG）方法成功制备了掺杂0.2原子百分比Nd³⁺的Nd:Lu_xY_3-xAl₅O₁₂（x=0, 1, 1.5, 2, 3）晶体光纤。系统研究了Lu³⁺/Y³⁺比例对晶体结构、吸收和发光特性的影响。吸收光谱表明，Nd:Lu_xY_3-xAl₅O₁₂（Nd:LuYAG）晶体光纤结合了Nd:YAG的高吸收截面和Nd:LuAG的宽吸收带宽。通过Judd-Ofelt分析评估了光学跃迁参数。在808 nm激发下，随着Lu³⁺含量的增加，⁴F_3/2能级的荧光寿命逐渐缩短。这些结果表明，调整Nd:LuYAG晶体光纤中的Lu³⁺/Y³⁺比例可以优化其性能，为传统Nd:YAG增益介质提供潜在的替代方案。

引言

Nd:YAG是一种成熟的固态激光材料，广泛应用于工业加工、医疗和通信领域[1]、[2]、[3]。另一种石榴石结构的晶体LuAG具有与YAG相似的特性，但热导率更高，从而显著提高了激光器运行时的散热性能[4]。由于其优异的性能，LuAG近年来在激光器和闪烁体应用中受到了越来越多的研究关注[5]、[6]、[7]。

近年来，人们对Nd³⁺掺杂的混合晶体（如Nd:Lu_xY_1-xVO₄、Nd:Gd_xY_1-xVO₄、Nd:Gd_xY_3-xAl₅O₁₂）的研究兴趣日益增加。这些混合晶体由于非均匀的荧光展宽特性而表现出更好的激光性能[8]、[9]、[10]。其中，Lu_xY_3-xAl₅O₁₂体系特别值得关注，因为它保持了与纯YAG和LuAG晶体相当的热性能和机械性能[11]。此外，这种混合晶体中的固有结构无序性促进了显著的光谱展宽，从而提高了Q开关激光器的性能[12]、[13]、[14]。

Nd³⁺离子具有经典的四能级结构，这使得泵浦功率阈值较低[15]、[16]，并且其高吸收系数进一步提高了泵浦光的有效利用。已经对多种Nd³⁺掺杂的基质材料进行了广泛研究，例如Nd:CALYO[17]、Nd:CNGG[18]、Nd:YVO₄[19]和Nd:CaF₂[20]。

单晶光纤作为一种有前景的增益介质，结合了传统块状激光晶体和光纤的优点。它们具有高长径比、大的比表面积、高效的散热能力和低的非线性增益系数。激光加热基座生长（LHPG）技术是制造这类光纤最成熟的方法之一[21]、[22]。该技术能够生产直径小至几百微米的光纤，通过激光加热最小化杂质掺入，从而实现高纯度和高质量单晶光纤的生长[23]。

在本研究中，成功使用LHPG方法制备了Nd:Lu_xY_3-xAl₅O₁₂晶体光纤，并系统研究了其在室温下的光谱特性，包括吸收光谱、发射光谱和衰减曲线。

章节摘录

晶体光纤的生长

采用LHPG方法生长了Nd:YAG、Nd:LuYAG和Nd:LuAG晶体光纤。按照名义成分Nd_0.006Lu_xY_2.994-xLu_xAl₅O₁₂（x=0, 0.998, 1.497, 1.996, 2.994）的比例，称量了高纯度（99.999%）的Lu₂O₃、Y₂O₃、Al₂O₃和Nd₂O₃粉末，制备了10克批次。将混合粉末压制成块状，并在空气中1300 °C下烧结20小时。烧结后的样品被切割成1×1×100 mm³的正方形棒材，用作光纤生长的原料。

结构

图2(a)显示了Nd:YAG、Nd:LuYAG和Nd:LuAG晶体光纤的XRD图谱。图2(b)展示了经过Rietveld精修的XRD图谱。所有样品的Rietveld精修过程均顺利完成。随着Nd:LuYAG单晶光纤中Lu³⁺掺杂浓度的增加，拟合因子R_p分别为9.79%、10.44%、9.23%、12.21%和13.83%。衍射峰和相对强度与理论值吻合良好。

结论

采用LHPG方法成功制备了Nd:Lu_xY_3-xAl₅O₁₂（x=0, 1, 1.5, 2, 3）晶体光纤。X射线衍射（XRD）确认所有晶体光纤都具有Ia3d空间群的三方结构。室温下的吸收光谱显示，Nd:Y_1.5Lu_1.5Al₅O₁₂晶体光纤在808 nm处的吸收截面为3.84×10^-20 cm²，带宽为9.0 nm。利用Judd-Ofelt理论对光谱参数进行了定量分析。在808 nm激发下，

CRediT作者贡献声明

Xiaodong Xu：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源提供。Jun Xu：资源提供，资金筹集。Kheirreddine Lebbou：数据可视化，方法论设计。Yannick Guyot：数据验证，数据管理。Zebin Wang：初稿撰写，实验研究，数据分析。Jian Liu：监督，资金筹集。Chong Xu：数据管理

利益冲突声明

?作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。