可实现黄光激光输出的掺镝氟化物晶体研究

Yellow lasers, operating during 560-590nm wavelength, have great potential applications in Sodium Guide Star Technology, Biomedicine and optical clocks based on Yb atoms etc. Diode-pumped solid-state laser with yellow laser output belongs to the research front of laser crystals. Based on the previous work, Dy-doped fluoride crystals which have potential applications at 560-590nm laser will be studied in this project. The main contents are listed as follow: 1) modulating the local coordination structure of Dy3+ ions in fluoride crystal lattice by co-doping buffer ions Me3+ (Me=Y, La, Gd et. al.), regulating the spectroscopic properties of Dy3+ ions, and obtaining Dy-doped fluoride crystals with high fluorescence branch ratio at 560-590nm wavelength. 2) overcoming the self-terminating "bottleneck" effect of the lower laser level in the four-level laser system of Dy3+ (4F9/2-6H13/2) by decreasing the lifetime of lower laser level 6H13/2 with co-doping with de-excitation ions Tb3+. We will solve the serious problem of Dy3+ laser with very small laser slope efficiency value (13.4%) and develop valuable 560-590nm yellow laser crystals with independent intellectual property rights.

位于560-590nm波段的黄光激光在钠信标、生物医学、原子光钟等领域具有重大应用需求，可实现LD直接泵浦全固态黄光激光输出是目前激光晶体的研究前沿之一。本项目在前期工作基础上，针对目前具有应用潜力的560-590nm波段掺Dy3+氟化物晶体材料，提出并研究：1）基于局域配位结构调控的思想，通过共掺调剂离子Me3+(Me=Y,La,Gd等)实现Dy3+局域配位结构的有效调控，调控光谱性能、获得560-590nm波段具有大的荧光分支比；2）共掺去激活离子Tb3+解决Dy3+（4F9/2→6H13/2）四能级系统激光通道下能级的阻塞。有效解决现有掺镝（Dy）激光晶体输出效率低（13.4%）等问题，发展具有自主知识产权和应用前景的560-590nm新型黄光波段的激光晶体。

本项目系统开展了Dy3+离子黄光发光性能的研究，选择低声子能量的氟化物（CaF2、PbF2、LaF3等）材料作为基质晶体，通过多孔坩埚温梯法和坩埚下降法生长了不同浓度掺杂的系列激光晶体，并通过共掺不发光的调剂离子（Y3+/Lu3+/Gd3+等）实现了Dy3+离子黄光发光性能的有效调控，黄光发射截面从单掺3%Dy:CaF2晶体的0.079×10-20cm2提高到共掺6%Y3+离子后的0.171×10-20cm2，0.6%Dy:CaF2晶体中共掺3%Gd3+离子后其黄光发射的荧光强度提高28倍。通过共掺去激活离子Tb3+实现了Dy3+离子黄光跃迁下能级的有效去激活，通过光谱测试确定了黄光发光最佳的浓度配比为0.8%Dy,10%Tb:CaF2晶体，该晶体在486nm波长激发下实现了衰减寿命长达4.2ms、半高宽大于9nm的宽带发光。此外，本项目进行了Dy3+离子掺杂大声子能量氧化物激光晶体的光谱性能研究，其中Dy:NaGd(WO4)2晶体在450nm氙灯泵浦下，572nm处发射截面高达1.22×10-20cm2，是已有激光输出报道的Dy:ZnWO4（0.640×10-20cm2）的两倍，表现出极佳的黄光激光输出的潜力。本项目的实施，极大地丰富了稀土离子可见光发光理论，对黄光激光晶体的发展具有重要的指导意义。本项目在实施过程中，发表各类学术论文16篇，其中SCIE收录论文13篇，授权发明专利3项、授权实用新型专利1项。培养博士研究生1名，硕士研究生2名。