热点应用丨Dy离子中红外激光器光学性质的研究

● 稀土离子在中红外（MIR）激光器的研发中被广泛用作增益介质。

● 利用配备 FLS1000 光谱仪和双模中红外探测器的稳态及时间分辨光致发光光谱技术，对这些晶体的光学特性进行了研究 。

中红外（MIR）激光器因应用广泛，受到科研和工业领域的关注。由于在特定光谱窗口具有强大气透射性，它们对分子光谱学、国防、医学诊断和光通信系统而言至关重要。此外，得益于紧凑的尺寸，中红外激光器可集成到便携式分析仪器和可现场部署的传感器中。

为实现高效发射，中红外激光增益介质可掺杂稀土离子，如钬（Ho³⁺）、铒（Er³⁺）、铥（Tm³⁺）和镝（Dy³⁺ ）。Dy³⁺已被公认为在中红外激光器中具有高潜力的活性离子。搭配合适的基质材料，Dy³⁺能实现 2.4 μm至 6.2 μm的高效激光发射。多个研究团队近期开展的一项研究，利用爱丁堡仪器公司的 FLS1000 光致发光光谱仪，对掺杂不同浓度 Dy³⁺ 的CaF₂ - SrF₂晶体的光学性质进行了研究。其研究成果发表在《Crystals》期刊上。

图 1. 爱丁堡仪器公司 FLS1000 光致发光光谱仪

图 2：a) 5 at.%、b) 10 at.%、c) 15 at.%的Dy：CaF₂ - SrF₂晶体。

选取基质晶体CaF₂ - SrF₂，因其声子能量低，可阻止电子被激发至中间能级。因此，非辐射衰变就不太容易发生，进而提升晶体效率。

稳态测量采用了两种激发波长：1320 nm 和 808 nm 。在 1320 nm 激发的情况下（图3a），随着Dy³⁺掺杂浓度变化，1970 nm 附近的光致发光（PL）强度变化明显。1970 nm 处的发射峰对应从⁶H_9/2+⁶F_11/2到⁶H_15/2的能级跃迁，且在Dy³⁺掺杂浓度最低（5 at.%）时，观测到最大 PL 强度。对此的一种可能解释是，在 5 at.%掺杂时，Dy³⁺离子相对孤立，使诸如离子间能量转移等猝灭效应降至最低，从而使 PL 强度达到最大。研究还发现，2900 nm 处的发射带不受掺杂浓度变化的影响。

用不同激发波长（808 nm）泵浦晶体时，2900 nm 附近的光致发光（PL）强度出现变化，且这种变化取决于Dy³⁺掺杂浓度（图 3b ）。在 15 at.%掺杂时观测到最高 PL 强度，这表明在 808 nm 激发泵浦下，间隙氟离子的猝灭效率存在差异。

图 3：不同激发波长下Dy：CaF₂ - SrF₂晶体的发射光谱：a) 1320 nm 、b) 808 nm 。

图 4：不同Dy³⁺掺杂浓度下Dy：CaF₂ - SrF₂晶体的光致发光（PL）寿命衰减：a) 5 at.%，743.6 μs；b) 10 at.%，339.2 μs；c) 15 at.%，194.7 μs。

1. Zheng, L.; Zhao, J.; Wang, Y.; Chen, W.; Ruan, F.; Lin, H.; Xue, Y.; Liu, J.; Liu, Y.; Yang, R.; et al. Mid-IR Optical Property of Dy:CaF2-SrF2 Crystal Fabricated by Multicrucible Temperature Gradient Technology. Crystals 2021, 11, 907. https://doi.org/10.3390/cryst11080907