基于Yb-Ho-Eu掺杂钙铌镓石榴石晶体的3微米激光特性研究

The 3 μm laser has important applications in the biomedical, and the exploration and study about its gain medium and laser devices are the research focus. For the Ho3+ doped materials, which is usually used as the gaim medium for 3 μm laser, there are two problems about the emission of 3 μm laser. One is that the absorption efficiency of pumped light is rather low; the other one is that the energy level transition Ho3+:5I6→5I7 is self-terminating. This project points out obtaining 3 μm laser with Yb-Ho-Eu:CNGG crystal. Take advantage of energy transfer from Yb3+ to Ho3+, the absorption efficiency of pumped light was improved. Make use of the energy transfer from Ho3+ to Eu3+ to help the depopulating of Ho3+:5I7 and restrain the self-terminating of Ho3+:5I6→5I7. The goals of the project were to understand the energy transfer process of Yb-Ho-Eu system and obtain the relationships between the energy transfer efficiency and the ions doping concentrations during the generation of 3 μm laser. For another, obtaining the 3 μm laser output with Yb-Ho-Eu:CNGG crystal.

3微米中红外激光在生物医疗方面有着重要的应用，其相关材料和激光器的研究与探索一直是研究热点。作为目前常用的3微米激光材料，钬离子（Ho3+）掺杂的激光材料存在以下两个问题：泵浦光的吸收效率低和Ho3+:5I6→5I7能级间跃迁的自终止。针对以上问题，本项目提出利用镱钬铕三掺钙铌镓石榴石晶体（Yb-Ho-Eu:CNGG）来获得3 微米波段的激光。Yb3+和Ho3+之间的能量传递，可以极大地提高泵浦效率；而Ho3+和Eu3+之间的能量传递则可以加速Ho3+:5I7能级粒子数的抽空，有效地抑制Ho3+:5I6→5I7跃迁的自终止。本项目的主要目标是阐明Yb-Ho-Eu三掺体系在3微米激光产生过程中的能量传递过程，得到能量传递效率与掺杂离子浓度的关系，其次是利用该晶体获得3微米波段的激光输出。

3微米激光在医疗、国防、通信和科研等领域有许多重要的应用，成为当前固态激光领域的一个重要研究方向。可以直接获得3微米波段激光的激活离子主要由两种：铒离子（Er3+）和钬离子（Ho3+），本项目提出基于Ho3+的3微米激光材料生长及性能表征。利用Ho3+离子直接产生3微米激光，主要存在两个障碍：一个是没有与之匹配的商业化泵浦源，另一个是3微米激光的下能级（5I7）的荧光寿命比上能级（5I6）还要长，存在严重的自终止现象。针对这两个问题，本项目提出生长Yb-Ho-Eu三掺体系，利用Yb-Ho离子间的能量转移，实现商业化程度较高的976 nm半导体激光器泵浦；同时利用Ho-Eu离子间的能量转移，转移走3微米激光下能级（5I7）上的粒子，降低其能级寿命，从而抑制自终止现象，实现3微米激光的振荡。增益介质选取的是可以用提拉法生长的钙铌镓石榴石（CNGG）,该晶体声子能量较低，利于3微米激光的振荡，且物理化学稳定性高，热学性能良好。.围绕项目提出的研究目标，利用提拉法生长了五种不同浓度掺杂的Yb-Ho-Eu:CNGG系列晶体，晶体光学质量良好，可以用于后续光学和激光性能表征。并优化了其生长工艺。基于这些生长的材料，对其晶体结构进行了解析，并对其能级结构和能级寿命进行了标定和测量，研究了其晶体结构和能级结构之间的关系。并利用生长的晶体材料，进行了连续激光实验，由于其谐振腔镜的膜系设计不够理想和晶体材料稀土离子掺杂浓度不合适，并未实现激光振荡，针对这一现象提出了解决方案，后续实验在继续进行中。为了接下来获得3微米脉冲激光，对MoS2, WS2和Bi2Te3等新型可饱和吸收体材料进行了初步研究，为其在3微米激光的应用打下基础。.总之，本项目通过稀土离子间能量转移，提出了一种具有重要应用前景的3微米激光增益材料Yb-Ho-Eu:CNGG晶体，对其结构、能级结构的表征的研究结构表明该类晶体可以用于3微米激光器的产生，丰富了3微米激光增益材料的种类，对3微米激光器的研究具有一定推动作用。