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(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150050; 3.黑龍江工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)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(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150050; 3.黑龍江工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)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(yīng)用Judd-Ofelt理論計算分析晶體中Ho3+離子的強(qiáng)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(yīng)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(jì)的時間，現(xiàn)如今大量的使用在眾多領(lǐng)域包括軍事激光、醫(yī)療激光、工業(yè)激光、激光的科學(xué)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(dá)和醫(yī)用激光手術(shù)刀等方面具有較大應(yīng)用價值，受到人們的關(guān)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(yīng)用于腫瘤切除、牙齒治療、碎石、術(shù)后凝血、關(guān)節(jié)內(nèi)窺鏡檢查等激光醫(yī)療手術(shù)方面；同時，2 μm波段處于大氣窗口，可廣泛應(yīng)用于雷達(dá)和大氣探測系統(tǒng)，實(shí)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(shù)，2 μm 脈沖激光還可直接用于風(fēng)速測量，這對于天氣預(yù)報、暴風(fēng)雨跟蹤、航空燃料效率和航空安全至關(guān)重要。除此之外，也可直接應(yīng)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(diǎn)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(shí) 驗(yàn)

以800 nm半導(dǎo)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(jìn)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(dǎo)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(qiáng)度遠(yuǎn)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(xiàn)要遠(yuǎn)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(xì)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(jìn)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(qiáng)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(shí)驗(yàn)振子強(qiáng)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(yīng)吸收帶的平均波長，α(λ)為對應(yīng)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(qiáng)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(yīng)更易于實(shí)現(xiàn)激光的產(chǎn)生，從光譜圖1中可見，綠光輻射相對較強(qiáng)，但是從圖2中所示5F4-5I8躍遷對應(yīng)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(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)激光輸出。參照表1，5I7-5I8躍遷為2 μm輻射，其所對應(yīng)的壽命更長，容易實(shí)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(qiáng)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。

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[責(zé)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(xué)技術(shù)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