钨钼酸盐晶体中Dy3+离子局域结构诱发高强度黄光发射机理研究

Yellow laser generating from Dy3+-doped crystal can be widely used in many fields such as medical, metrology, astronomy. However, due to the difference of the Dy3+ local structure caused by the different hosts, the intensities of Dy3+ yellow emission corresponding to 4F9/2→6H13/2 the transition are significant different. Through the preliminary research, the yellow emission of Dy3+-doped in tungsten molybdate crystals are stronger than that in other crystals. But the phenomenon of strong yellow emission in Dy3+-doped tungsten molybdate crystals is still lack of effective analysis. Therefore, the local structures of Dy3+-doped different crystals including the coordination structure, coordination number, bond length between Dy3+ and the coordination ion are analyzed though theoretical calculation and experimental measurement. The theoretical calculation model is constructed to analyzing the Dy3+ local structures. And the influences of the local structures to the transition probability, fluorescence branch ratio, peak emission cross section of Dy3+ yellow emission system analyze. Then the mechanism of high-performance yellow emission can be revealed and a regular understanding between the Dy3+ local structure and yellow emission strength in different crystals can be formed. On the basis of regularity, the high performance laser crystals operating in yellow band will be designed and obtained. The results of the project has potential application prospect in high performance laser crystals operating in yellow band.

利用Dy3+激活激光晶体输出的黄光波段激光可广泛用于医疗、计量、天文等领域。但是Dy3+黄光发射4F9/2→6H13/2跃迁强度受Dy3+局域结构影响显著，使得不同晶体中Dy3+黄光发射强度差异较大。前期研究表明：钨钼酸盐晶体中Dy3+呈现出较强的黄光发射，但对其机理缺乏有效认识。本项目以理论计算和实验测定为手段，从Dy3+与配位离子间配位结构、配位数、键长、键性等方面着手，研究不同含氧酸盐晶体中Dy3+局域结构变化情况，构建Dy3+局域结构的理论计算模型；系统分析各结构因素对Dy3+黄光发射跃迁几率、荧光分支比、峰值发射截面的影响，揭示钨钼酸盐中Dy3+高强度黄光发射机理，形成Dy3+局域结构与黄光发射强度间的规律性认识，在此基础上通过成分调控改变晶体中Dy3+局域结构，设计和制备Dy3+激活高性能黄光波段激光晶体。项目的实施为实现Dy3+激活高性能黄光波段激光提供理论依据和物质基础。

黄光波段（560-600 nm）激光在医疗、计量、天文、显示、存储等领域均具有重要应用。利用半导体激光（LD）泵浦Dy3+离子激活激光晶体直接输出黄光波段激光是一种获得高性能、结构紧凑黄光波段激光器的理想方案。但目前已实现黄光激光输出的Dy3+激活激光晶体中黄光发射弱是限制其实现高性能黄光激光输出的一个重要因素。前期研究发现钨钼酸盐晶体中Dy3+离子具有强的黄光发射。项目基于Dy3+离子激活NaGd(MoO4)2和Lu2Si2O7晶体，从晶体场强度、格位对称性等角度系统比较了不同晶体中黄光发射性能。随后，进一步解析了Dy3+离子在钨钼酸盐中黄光发射强于硅酸盐、氟化物等晶体中的原因。研究发现当Dy3+离子激活晶体中，J-O参数Ω2值越大，黄光发射荧光分支比越大，黄光发射强度越强。而Ω2值主要与Dy3+离子在晶体中与配位离子的共价性强弱相关，当共价性越强时，Ω2值越大。钨钼酸盐中Dy3+离子与配位O2-离子较强的共价性诱发了其强的黄光发射。.基于上述研究结论，开展了Dy3+激活KGd(WO4)2（KGW）和Ca3NbGa3Si2O14（CNGS）晶体生长和光谱性能的研究。以K2W2O7为助熔剂，利用熔盐法成功生长了Dy3+:KGW晶体，结果表明在Dy3+:KGW晶体中同样具有大的2值，高的黄光发射荧光分支比和强的黄光发射，Ω2值和黄光发射荧光分支比分别为22.0和79.4%。而Dy3+:CNGS晶体中黄光发射相对较弱，但是其在450 nm处激发强度较高，可被蓝光半导体激光有效泵浦。因此，Dy3+:KGW晶体是一类潜在的实现黄光激光输出的激光晶体。.此外，依托本项目，团队还开展了基于Bi3+离子敏化的Dy3+离子黄光发射增强研究。利用Bi3+离子共掺Dy3+:YPO4，研究了不同浓度掺杂对Dy3+发光性能的影响。结果表明Bi3+离子共掺有效的增强了Dy3+离子在450 nm附近的吸收和黄光波段的发射强度。.上述研究结果为蓝光半导体泵浦直接输出黄光波段激光的Dy3+离子激活激光晶体研究奠定了理论基础，具有重要的指导意义。同时该类材料的推广应用也是实现稀土高值化利用的重要途径。