撰文丨徐晓东
InGaN/GaN蓝光激光二极管(LD)的快速发展，为LD直接泵浦激光晶体产生红橙光提供了新的可行途径。掺Sm3+激光晶体最大的吸收峰在405 nm处，吸收截面达到10~20 cm2，适合蓝光LD直接泵浦，Sm3+基于4G5/2→6H7/2能级跃迁，可以发射600 nm附近红橙光，且上能级寿命长，是非常有潜力的红橙光激光增益介质。激光单晶光纤具有长径比高、比表面积大、散射好等优势，非常适合于器件的小型化制备。
近日，江苏师范大学、同济大学与中国电子科技集团第二十六研究所相关研究团队在《人工晶体学报》发表了题为“Sm∶YAG/Sm∶Y3ScAl4O12单晶光纤的生长及光谱性能”的研究论文。该论文采用微下拉法生长出直径约为950 μm的Sm:YAG和Sm:Y3ScAl4O12单晶光纤，测试了室温下单晶光纤的拉曼光谱、吸收光谱、荧光光谱和荧光寿命。研究了基质中Sc3+的引入对Sm3+光谱性能的影响。为激光单晶光纤用于可见光输出提供了新的思路。
论文题录●●
徐杰,宋青松,刘坚,丁雨憧,李东振,徐晓东,徐军.Sm∶YAG/Sm∶Y3ScAl4O12单晶光纤的生长及光谱性能[J].人工晶体学报,2021,50(7):1391-1396.
XU Jie, SONG Qingsong, LIU Jian, DING Yuchong, LI Dongzhen, XU Xiaodong, XU Jun. Growth and Spectral Properties of Sm3+-Doped YAG and Y3ScAl4O12 Single Crystal Fibers[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2021, 50(7): 1391-1396.
//文章导读
作者首先通过优化单晶光纤生长工艺，采用微下拉法生长了直径约为950 μm的Sm:YAG和Sm:Y3ScAl4O12单晶光纤。该单晶光纤无色透明，无裂纹且光学质量较好(见图1)。Sm:YAG和Sm:Y3ScAl4O12单晶光纤的衍射峰与PDF#88-2048标准卡片吻合较好，说明Sm:YAG和Sm:Y3ScAl4O12晶格结构未发生明显改变，仍为立方晶系(见图2)。根据Sm:YAG和Sm:Y3ScAl4O12单晶光纤的拉曼光谱可以得出，Sm:Y3ScAl4O12最大声子能量为766 cm-1，小于Sm:YAG的最大声子能量783 cm-1(见图3)。
图1 微下拉法生长的(a)Sm∶YAG和(b)Sm∶Y3ScAl4O12单晶光纤
图2 Sm∶YAG和Sm∶Y3ScAl4O12单晶光纤的XRD图谱以及YAG的XRD标准图谱
图3 Sm:YAG与Sm:Y3ScAl4O12单晶光纤的拉曼光谱
作者随后研究了Sm:YAG和Sm:Y3ScAl4O12单晶光纤的光学性能。在可见光区，Sm:YAG和Sm:Y3ScAl4O12单晶光纤的最强吸收位于405 nm处，此吸收带与InGaN/GaN商用二极管的发射波长相匹配。经计算得到Sm:YAG和 Sm:Y3ScAl4O12单晶光纤在405 nm处的吸收系数分别为0.24 cm-1和0.41 cm-1，Sm:Y3ScAl4O12单晶光纤的吸收系数要比Sm:YAG大，可能与Sc3+进入晶格位置，导致Sm3+在晶体中的分凝系数变大有关 (见图4)。在404 nm波长激发下，测量了Sm:YAG和Sm:Y3ScAl4O12单晶光纤的荧光光谱，最强发射峰位于618 nm处，非常有希望获得橙黄光激光输出 (见图5)。测试了Sm:YAG和Sm:Y3ScAl4O12单晶光纤的4G5/2能级的荧光衰减曲线，拟合得到Sm:YAG和 Sm:Y3ScAl4O12单晶光纤的荧光寿命分别为1.86 ms和1.83 ms (见图6)，数据表明Sm:YAG和Sm:Y3ScAl4O12单晶光纤是非常有前景的可见光增益介质。
图4 室温下Sm:YAG与Sm:Y3ScAl4O12单晶光纤的吸收光谱
图5 室温下Sm:YAG与Sm:Y3ScAl4O12单晶光纤的发射光谱
图6 Sm:YAG与Sm:Y3ScAl4O12单晶光纤4G5/2能级的荧光衰减曲线
本研究得到了国家自然科学基金(61621001)的支持。
通信作者●●
徐晓东，江苏师范大学教授。《人工晶体学报》青年编委，中国稀土学会稀土晶体专业委员会委员。主要从事光功能晶体材料和单晶光纤的研究工作。通过晶体和器件的最佳优化，获国际最短的掺Yb3+晶体（21 fs）和掺Ho3+晶体（87 fs）超快激光输出。相关科研成果被Physics Today和Laser Focus World等特别报道。主持科技部重点研发项目子项目、国家自然科学基金等多项项目。在 Optics Letters、Optics Express、Applied Physics Letters、Acta Materialia等光学/材料领域有重要影响的刊物上发表SCI论文200余篇，被SCI他引频次总计1400余次。参与出版学术专著4部。授权发明专利6项。
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