上海光学精密机械研究所----上海光机所在镝镨共掺杂氟化铈激光晶体研究方面取得进展

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超强激光科学卓越创新简报

(第五百五十六期)

2024年10月9日

上海光机所在镝镨共掺杂氟化铈激光晶体研究方面取得进展

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所先进激光与光电功能材料部在镝镨共掺杂氟化铈（Dy³⁺,Pr³⁺:CeF₃）激光晶体研究方面取得进展，相关成果以“Optical characteristics and energy transfer analysis of Dy³⁺-Pr³⁺ ions doped in CeF₃ crystal”为题发表于Journal of Luminescence。

CeF₃晶体具有多种优良特性，包括折射率较小、最大声子能量较低、稀土离子掺杂性好及易于制备与加工等特性，是一种理想的激光基质晶体。Pr³⁺是一种具有丰富能级结构的稀土离子，其³P₀能级向下能级的跃迁对应于多个可见波段发射通道，因此Pr³⁺常被掺杂于各种基质中用作可见波段激光发射的激活离子。然而根据文献报道，Ce³⁺与Pr³⁺之间存在的能量传递过程会令Pr³⁺从³P₀能级快速弛豫至¹D₂能级，导致Pr³⁺掺杂CeF₃（Pr³⁺:CeF₃）晶体的³P₀能级荧光寿命仅为一百多纳秒，这大大增加了利用Pr³⁺：³P₀能级实现可见波段激光输出的难度。

针对上述问题，研究团队采用Dy³⁺, Pr³⁺共掺杂方法，延长了Pr³⁺:CeF₃晶体中Pr³⁺：³P₀能级的荧光寿命。实验结果表明，通过对Pr³⁺:CeF₃晶体共掺Dy，Pr³⁺：³P₀能级的荧光寿命提高了两个数量级，达到～17.91 μs。Dy³⁺与Pr³⁺之间的能量传递分析表明，由于Dy³⁺：⁴F_9/2能级能量略高于Pr³⁺：³P₀能级，且其荧光寿命显著长于Pr³⁺：³P₀能级，在采用蓝光LD激发后，一部分能量储存在Dy³⁺：⁴F_9/2能级上，当Pr³⁺：³P₀能级上的能量快速消耗时，储存于Dy³⁺：⁴F_9/2能级的能量通过能级间传递转移至Pr³⁺：³P₀能级（Dy³⁺：⁴F_9/2→Pr³⁺：³P₀），由此显著提高了Pr³⁺：³P₀能级的荧光寿命。以上研究结果为提高Pr³⁺:CeF₃晶体中Pr³⁺：³P₀能级的发射性能找到了一种可靠方法，有助于采用Dy³⁺,Pr³⁺:CeF₃晶体实现可见波段激光输出。