两种国产新型掺Yb氟化物激光晶体的光谱特性研究SCIEI北大核心CSCD

掺Yb氟化物激光材料是继掺Yb氧化物激光材料之后的另一类重要的掺Yb激光材料,已经成为可调谐激光和超快激光领域中研究的热点之一。针对两种国产新型掺Yb的氟化物激光材料:混晶材料Yb∶CaF2-SrF2和共掺离子型的单晶材料Yb,Y∶CaF2,进行了详细的光谱特性比对实验研究。通过荧光比对实验,发现这两类激光材料的荧光光谱完全不同,并分析了不同荧光产生的物理机制。通过吸收率比对实验,讨论了两类材料中的激活离子Yb或共掺离子Y的掺杂浓度对晶体吸收特性的影响,得到了最佳掺Yb离子或共掺Y离子的浓度。利用激光二极管作为泵浦源,实现了这两类新型材料在折叠腔型下的连续激光输出运转,其中对于共掺离子型Yb,Y∶CaF2晶体是首次实现连续激光运转。通过激光对比实验,获得了两类激光材料(四种样品)的激光输入—输出关系曲线,测量了各自的斜效率和激光光谱特征。通过系统地比较两类激光晶体的吸收率、荧光光谱特性、激光光谱特性以及连续激光运转的阈值功率和斜效率等参数得出以下结论:在四种实验样品中,共掺离子型单晶材料中的3at%Yb,6at%Y∶CaF2晶体具有最好的光谱和激光特性,具有良好的应用前景。这些实验结果为进一步提升此类激光材料的性能提供了有益的参考。     

共掺Na+的Yb3+∶CaF2晶体的荧光分析与低阈值激光运转

基于975nm激发的室温下荧光光谱测量，系统地研究了在新型钠、镱共掺的氟化钙晶体中钠离子的作用机理，分析了掺钠离子浓度与激光阈值的关系，获得了具有最低激光阈值的掺杂浓度优化配比. 激光实验表明对于2%Yb³⁺离子浓度的氟化钙，掺入3%的钠离子能够获得最低阈值的激光运转，这与理论和荧光分析完全一致. 关键词： 镱、钠共掺氟化钙 荧光光谱 激光阈值     

Er/Yb共掺体系的光致荧光行为及相关物理过程研究

采用固相反应方法，制备了Er₂O₃浓度固定为0.5mol%，Yb₂O₃浓度范围为0.0mol%—5.5mol%的Er/Yb共掺激光玻璃.通过吸收光谱、光致荧光光谱和上转换荧光光谱，研究了Yb₂O₃浓度对Er³⁺荧光特性的影响，并探讨了相关的物理机制.研究结果表明：Yb³⁺共掺对Er³⁺的⁴ 关键词： Er/Yb共掺 光致荧光 能量传递 合作上转换     

Yb∶YAG超快闪烁晶体研究进展与展望

Yb3+离子掺杂YAG晶体(Yb∶YAG)作为一种性能优良的激光晶体已广泛应用于高效、高功率激光领域。最新研究表明,Yb∶YAG晶体响应时间可达0.411 ns,其优良的超快闪烁特性在超快脉冲辐射探测、惯性约束核聚变、空间辐射探测、核反应动力学等领域的应用引起了广泛关注,使得Yb∶YAG晶体成为超快闪烁材料研究的热点。关于Yb∶YAG的闪烁特性,文章在系统介绍Yb∶YAG作为超快闪烁晶体研究进展和发光机理的基础上,归纳总结了掺杂种类、浓度、后处理工艺、辐照、格位尺寸大小、温度等对Yb∶YAG晶体闪烁性能的影响。然后,针对Yb∶YAG目前存在的问题,给出相应的解释并提出通过离子共掺调控来改善其闪烁性能的方法。最后,对Yb∶YAG超快闪烁晶体未来的发展方向进行了展望。     

Er/Yb共掺硅酸盐玻璃的光致发光

采用固相反应方法，制备了Er³⁺离子浓度为0.5 at.%，Yb掺杂浓度范围为0.0— 6.0 at.%的Er/Yb共掺激光玻璃，并对激光玻璃的吸收光谱和光致荧光光谱进行了分析.研究 结果显示，Yb³⁺掺杂对Er³⁺在980 nm附近的吸收起到了非常显著的 增强作用.在 980 nm的激光抽运下，激光玻璃在1530 nm处的光致发光强度随着Yb离子浓度 的增加而先增大后减小， 当Yb³⁺离子浓度为Er³⁺离子浓度6倍时光 致发光强度达到最大值.同时还发现了Yb³⁺对Er³⁺的光致荧光光谱 的展宽作用，并讨论了荧光光谱的展宽机理. 关键词： Er/Yb共掺玻璃 光致发光 吸收光谱     

镱、钠共掺的氟化钙晶体在1050nm的可饱和吸收作用

通过在稳定连续波运转的Yb:YAG 激光器中插入不同掺杂浓度的新型钠、镱共掺的氟化钙晶体的对比性实验,证明了镱、钠共掺的氟化钙晶体在1050nm具有明显的可饱和吸收作用,从而解释了该晶体作为增益介质在该波段总是趋于自调Q运转的原因.Yb³⁺离子是该晶体可饱和吸收作用的主要因素,但是共掺入适当的Na离子可以明显改善晶体的调Q效果.优化共掺镱、钠离子的浓度和比例后的氟化钙晶体能够作为1050nm波段激光器的被动Q开关. 关键词： 镱、钠共掺氟化钙 可饱和吸收体 调Q     

Yb∶YAG晶体的光谱和激光性能

研究了Yb∶YAG晶体的光谱特性, 通过不同掺杂浓度的Yb∶YAG晶体的荧光寿命的测定, 确定了Yb3+在Yb∶YAG晶体中的最佳掺杂浓度, 用合作上转换机制解释了高浓度掺杂时的荧光浓度猝灭效应, 研究了掺杂原子分数为0.2的晶体微片的激光性能.     

Yb∶FAP晶体的光谱特性

研究了Yb∶FAP晶体的光谱特性.用980nm的InGaAs激光二极管激发测量了Yb∶FAP晶体的偏振发射光谱和荧光寿命,结合晶体的偏振吸收光谱,采用对易法计算了晶体的吸收截面和发射截面.讨论了Yb3+掺杂浓度对Yb∶FAP的光谱参数的影响.在较低掺杂浓度下,Yb∶FAP晶体π偏振方向在903nm处的吸收截面为10×10-20cm2,在1.043μm处的发射截面为5.8×10-20cm2,激光上能级的荧光寿命为1.1ms.比较了Yb∶FAP晶体和Yb∶YAG晶体的光谱性能参数.     

Yb:YAG及Cr,Yb:YAG晶体的发光特性

研究了室温下YbYAG的上转换荧光光谱,此荧光归因于Yb3+离子的"合作"发光和Yb3+离子到稀土杂质离子的能量转移.测试了YbYAG晶体的X射线荧光,发光峰对应于电荷迁移态到Yb3+离子的基态、激光态间的跃迁.研究了Cr,YbYAG晶体的荧光光谱,讨论了Cr4+激光输出的可能性.     

970nm抽运下Er3+/Yb3+/Tm3+共掺碲酸盐玻璃的发光特性

研究了Er3+/Yb3+共掺、Tm3+/Yb3+共掺、Er3+/Yb3+/Tm3+共掺碲酸盐玻璃在970nm抽运下的荧光光谱和上转换光谱性质，测试了Er3+离子的4I11/2和4I13/2能级荧光寿命变化情况.结果发现Er3+/Yb3+/Tm3+共掺碲酸盐玻璃的常规荧光谱线在1450—1700nm区域明显加宽，并在1630nm有一荧光峰，可能是Tm3+：1G4→3F2跃迁产生.上转换发光研究表明，由于碲酸盐玻璃声子能量低的缘故，三种共掺系统下都存在上转换发光现象.在Er3+/Yb3+/Tm3+共掺中，上转 关键词： Er3+/Yb3+/ Tm3+共掺 碲酸盐玻璃 荧光 上转换光谱     

NaYF4∶Yb,Er/氧化石墨烯纳米复合材料的制备、表征及上转换发光性能

采用“一锅”和直接混合两种制备过程,制得了NaYF₄∶Yb, Er/氧化石墨烯（rGO）和SiO₂包覆NaYF₄∶Yb, Er/rGO两系列纳米复合材料。各种测试结果表明,NaYF₄∶Yb, Er是以α型立方结构和纳米粒子形状存在于复合材料中,粒径主要在30～70 nm间,而rGO则较好地分散在其中,但“一锅”法制得的rGO呈现更好的分散性。Raman光谱证实,在这两种纳米材料之间存在表面耦合相互作用,且随着rGO相对含量增大,它们之间接触面积逐渐增多,相互作用也逐渐增强。上转换发光测试结果表明,rGO具有很好的发光猝灭效应和光限幅现象,尤其是对NaYF₄∶Yb, Er的红光带影响更加显著。随着rGO相对含量逐渐增加,红光带发光强度逐渐降低,而绿光带变化不大。对于使用不同方法制备的样品,在具有相似含量情况下,由于团聚rGO具有更强的吸光作用,SiO₂包覆样品的红光带发光强度受到rGO影响更大。     

Tm3+/Yb3+共掺杂玻璃和玻璃陶瓷中蓝色 上转换发光中的能量传递过程

利用高温固相法制备了Tm³⁺/Yb³⁺共掺杂的氟氧化物玻璃和玻璃陶瓷材料,在980 nm的激光激发下,样品发射出明亮的蓝色上转换荧光。通过对玻璃和玻璃陶瓷样品的对比,发现Tm³⁺离子和Yb³⁺离子之间存在着Tm³⁺(³H₄)→Yb³⁺(²F_5/2)的反向能量传输通道,并且与晶场有较强的依赖关系。分析了在玻璃和玻璃陶瓷中蓝色上转换发光过程,随着敏化剂Yb³⁺浓度的增加,在玻璃中正向和反向能量传递的竞争作用使得Tm³⁺离子在Yb³⁺离子的最佳浓度时上转换发光最强;而在玻璃陶瓷中, Tm³⁺离子的上转换发光始终随着Yb³⁺离子的浓度增加而增强。     

Yb：Y3A15O12晶体晶格振动光谱的研究

采用提拉法生长Y3A15O12（YAG）晶体和Yb^3＋掺杂原子数分数分别为5％，10％，15％，20％，25％，50％N100％的Yb：Y3A15O12（Yb：YAG）晶体。系统表征和分析了Yb^3＋掺杂浓度对拉曼光谱的影响。随着Yb^3＋掺杂浓度的增加，晶体的振动模式没有明显的变化，晶体结构没有改变；在370cm^-1和785cm^-1附近，振动吸收峰的半峰全宽逐渐增大。分析得出，Yb抖掺杂浓度对晶体的晶格、对称性、荧光寿命均有影响，从而可能影响到晶体的光谱和激光性能。     

A new Yb-doped oxyorthosilicate laser crystal: Yb:Gd2SiO5

A new Yb-doped oxyorthosilicate laser crystal, Yb:Gd₂SiO₅ (Yb:GSO), has been grown by the Czochralski (Cz) method. The crystal structure was determined by means of X-ray diffraction analysis. Room temperature absorption and fluorescence spectra of Yb³⁺ ions in GSO crystal were measured. Then, spectroscopic parameters of Yb:GSO were calculated and compared with those of another Yb-doped oxyorthosilicate crystal Yb:YSO. Results indicated that Yb:GSO crystal seemed to be a very promising laser gain media in generating ultra-pulses and tunable solid state laser applications. As expected, the output power of 2.72 W at 1089 nm was achieved in Yb:GSO crystal with absorbed power of only 4.22 W at 976 nm, corresponding to the slope efficiency of 71.2% through the preliminary laser experiment.     

磷石膏中微量含氟物相的光谱分析

磷石膏中二水硫酸钙(CaSO₄·2H₂O)的含量高达90%以上,是一种重要的再生石膏资源。然而与天然石膏不同,磷石膏中磷、氟、有机物等有害杂质限制了它的实际利用。探明微量杂质氟物相的存在形态、含量及分布规律,对高效脱除磷石膏中杂质氟具有重要的理论价值。采用X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)与电子显微探针(electron microprobe analysis, EMPA)相结合的分析方法,研究了磷石膏中微量含氟物相的主要存在形式和分布规律。结果表明,磷石膏中微量含氟物相主要包括NaF,KF,CaF₂,K₂SiF₆,Na₂SiF₆,Na₃AlF₆,K₃AlF₆,AlF₃·3H₂O,AlF_2.3(OH)_0.7·H₂O,Ca₅(PO₄)₃F,Ca₁₀(PO₄)₆F₂。其中,4.83%的氟以NaF,KF,CaF₂等氟化物形式存在,8.42%的氟以氟磷酸盐Ca₅(PO₄)₃F和Ca₁₀(PO₄)₆F₂形式存在,12.21%的氟以氟铝酸盐Na₃AlF₆和K₃AlF₆形式存在,41.52%的氟以氟硅酸盐K₂SiF₆和Na₂SiF₆形式存在,33.02%的氟以带结晶水的氟化铝AlF₃·3H₂O和AlF_2.3(OH)_0.7·H₂O形式存在。研究表明分析固体样品中微量元素物相时,采用XPS与EMPA相结合的分析方法更具有优势。本研究为磷石膏中微量杂质氟的脱除以及有效回收氟资源提供理论依据。     

Yb∶YAG晶体的荧光特性研究

测量了不同掺杂浓度Yb∶YAG晶体氧化和还原气氛退火前后的色心吸收光谱、荧光光谱和荧光寿命.研究了色心对Yb∶YAG晶体的荧光强度和荧光寿命的影响.结果表明,只有当Yb的掺杂浓度大于10 at.%时,色心吸收的加强对发光强度和荧光寿命有明显猝灭作用.     

Yb:CaF2 — a new old laser crystal

Here is presented and discussed the history, the spectroscopic, the thermo-mechanical and the laser properties of the new old laser crystal Yb:CaF₂, of its Sr and Ba isotypes as well as of an Yb and Na codoped compound. It will be shown that Yb:CaF₂ is a very particular luminescent material, in which the laser-active center probably consists of a complex hexameric cluster, that it is the most promising Yb-doped fluoride material for large-scale, high-power and high-energy laser systems and that it can compete in several aspects with the currently used Yb-doped oxide crystals and glasses. The opportunity of operating the crystals at cryogenic temperatures and the recently achieved improvements in the field of femtosecond pulsed laser operation and high peak power laser amplification is highlighted and evaluated.     

Yb,Na:PbF(2): a potential new high-power laser material

Yb:PbF(2) and Yb,Na:PbF(2) laser crystals are grown by the Bridgman method. Room-temperature absorption, photoluminescence spectra, and fluorescence lifetimes of Yb(3+) ions in the crystals have been investigated. Experimental results show that Na(+) ions codoping with Yb(3+) as charge compensators can suppress the deoxidization of Yb(3+) to Yb(2+). The result of diode-pumped laser operation of a Yb,Na:PbF(2) single crystal is reported for the first time to the best of our knowledge . With a 1mol.%Yb(3+)-doped sample, we obtained 2.37W output power at 1056nm for 17.9W of incident power at 978nm.     

Comparison of spectroscopic properties of Yb:YAP and Yb:YAG crystals

The Yb:YAG and Yb:YAP crystals have been grown by Czochralski method. The absorption spectra and the fluorescence spectra of Yb:YAG and Yb:YAP crystals have been investigated. It is shown that the Yb:YAG crystal has better laser properties and smaller threshold power than Yb:YAP crystal. In addition, the absorption cross-section of the Yb:YAP crystal is 2.16 times of that of the Yb:YAG crystal,so laser diode pumped Yb:YAG lasing can be easily realized. Because YAP single crystal is anisotropic, it is provided with polarization characteristics.