高浓度Er3+掺杂Y3Sc2Ga3O12晶体的吸收光谱与晶体场模型研究

高进云; 孙敦陆; 罗建乔; 李秀丽; 刘文鹏; 张庆礼; 殷绍唐

doi:10.7498/aps.63.144205

摘要

采用提拉法生长出了高浓度掺铒（35 at%）钇钪镓石榴石（Er：YSGG）激光晶体. 测试了该晶体在340–1700 nm波段内的吸收光谱，对其中Er3+的实验能级进行了分析指认. 用Er：YSGG的102个实验Stark能级，拟合了它的自由离子参数和晶体场参数，均方根误差（拟合精度）σ为10.34 cm-1. 结果表明，参数化Stark 能级的拟合结果与实验光谱符合得较好. 将拟合得到的Er：YSGG实验结果与文献中已报道Er：YAG 的自由离子参数和晶体场参数进行了比较. 指出Er：YSGG具有较强的晶体场相互作用或许是其激光效率较高的主要原因之一.

关键词:

Abstract

Er3+-doped Y3Sc2Ga3O12 (Er:YSGG) single crystal is grown by Czochralski method successfully, and the absorption spectra are measured in a wider spectral wavelength range (340-1700 nm). The experimental energy levels are analyzed and identified. The free-ion and crystal-field parameters are fitted by the experimental energy levels with a root mean square deviation of 10.34 cm-1, and 102 Stark energy levels of Er3+ in YSGG host crystals are assigned. It indicates that the fitting results of Stark energy levels are more satisfactory with the experimental spectra. Finally, the fitting results of free-ion and crystal-field parameters are compared with those already reported of Er:YAG crystal. A conclusion is drawn that the Er:YSGG has higher laser efficiency than Er:YAG, which may result from Er:YSGG that has a strong crystal field interaction.

Keywords:

作者及机构信息

1.
中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽省光子器件与材料重点实验室, 合肥 230031

基金项目: 国家自然科学基金（批准号：51172236，91122021，51272254，61205173，50932005）资助的课题.

Authors and contacts

1.
The Key Laboratory of Photonic Devices and Materials, Anhui Province, Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China

Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 51172236, 91122021, 51272254, 61205173, 50932005).

参考文献

[1]	Sun D L, Luo J Q, Zhang Q L, Xiao J Z, Xu J Y, Jiang H H, Yin S T 2008 J. Lumin. 128 1886
[2]	Nakazawa E, Shionoya S 1970 Phys. Rev. Lett. 25 1710
[3]	Sun D L, Luo J Q, Zhang Q L, Xiao J Z, Liu W P, Wang S F, Jiang H H, Yin S T 2011 J. Cryst. Growth 318 669
[4]	Stokowski S E, Randles M H, Morris R C 1988 IEEE J. Quantum Elect. 24 934
[5]	Wang Y, You Z Y, Li J F, Zhu Z J, Ma E, Tu C Y 2009 J. Phys. D: Appl. Phys. 42 215406
[6]	Kim K H, Venable D D, Brown L A, Lee J H 1991 J. Appl. Phys. 69 2841
[7]	Sun D L, Luo J Q, Xiao J Z, Zhang Q L, Jiang H H, Yin S T, Wang Y F, Ge X W 2008 Appl. Phys. B 92 529
[8]	Zharikov E V, Kuratev I I, Laptev V V, Naselskii S P, Ryabov A I, Toropkin G N, Shestakov A V, Shcherbakov I A 1984 Bull. Acad. Sci. USSR Phys. Ser. 48 103
[9]	Lei Y Q, Song H W, Yang L M, Yu L X, Liu Z X, Pan G H, Bai X, Fan L B 2005 J. Chem. Phys. 123 74710
[10]	Weber M J 1967 Phys. Rev. 157 262
[11]	Gruber J B, Hills M E, Morrison C A, Turner G A 1988 Phys. Rev. B 37 8564
[12]	Duan C K, Tanner P A, Makhov V N, Kirm M 2007 Phys. Rev. B 75 195130
[13]	Rudowicz C, Chua M, Reid M F 2000 Physica B 291 327
[14]	Christiane G W, Koen B 1996 In: Gschneidner K A, Eyring L (ed) Handbook on The Physics and Chemistry of Rare Earths (Amsterdam, New York, Oxford: North-holland Publishing Company) 23 pp143-152
[15]	Karbowiak M, Edelstein N M, Drozdzynski J, Kossowski K 2002 Chem. Phys. 277 362
[16]	Xia S D 1994 Group Theory and Spectroscopy (Beijing: Science Press) pp262-283
[17]	Newman D J, Ng Betty 2000 Crystal Field Handbook (Cambridge: Cambridge University Press) pp43-46
[18]	Zhang Q L, Ning K J, Xiao J, Ding L H, Zhou W L, Liu W P, Yin S T, Jiang H H 2010 Chin. Phys. B 19 087501
[19]	da Gama A A S, da Sa Gilberto F 1981 J. Chem. Phys. 75 2583
[20]	Devi A R, Jayasankar C K, Reid M F 1994 J. Alloys Comp. 207 74

施引文献

[1]	Sun D L, Luo J Q, Zhang Q L, Xiao J Z, Xu J Y, Jiang H H, Yin S T 2008 J. Lumin. 128 1886
[2]	Nakazawa E, Shionoya S 1970 Phys. Rev. Lett. 25 1710
[3]	Sun D L, Luo J Q, Zhang Q L, Xiao J Z, Liu W P, Wang S F, Jiang H H, Yin S T 2011 J. Cryst. Growth 318 669
[4]	Stokowski S E, Randles M H, Morris R C 1988 IEEE J. Quantum Elect. 24 934
[5]	Wang Y, You Z Y, Li J F, Zhu Z J, Ma E, Tu C Y 2009 J. Phys. D: Appl. Phys. 42 215406
[6]	Kim K H, Venable D D, Brown L A, Lee J H 1991 J. Appl. Phys. 69 2841
[7]	Sun D L, Luo J Q, Xiao J Z, Zhang Q L, Jiang H H, Yin S T, Wang Y F, Ge X W 2008 Appl. Phys. B 92 529
[8]	Zharikov E V, Kuratev I I, Laptev V V, Naselskii S P, Ryabov A I, Toropkin G N, Shestakov A V, Shcherbakov I A 1984 Bull. Acad. Sci. USSR Phys. Ser. 48 103
[9]	Lei Y Q, Song H W, Yang L M, Yu L X, Liu Z X, Pan G H, Bai X, Fan L B 2005 J. Chem. Phys. 123 74710
[10]	Weber M J 1967 Phys. Rev. 157 262
[11]	Gruber J B, Hills M E, Morrison C A, Turner G A 1988 Phys. Rev. B 37 8564
[12]	Duan C K, Tanner P A, Makhov V N, Kirm M 2007 Phys. Rev. B 75 195130
[13]	Rudowicz C, Chua M, Reid M F 2000 Physica B 291 327
[14]	Christiane G W, Koen B 1996 In: Gschneidner K A, Eyring L (ed) Handbook on The Physics and Chemistry of Rare Earths (Amsterdam, New York, Oxford: North-holland Publishing Company) 23 pp143-152
[15]	Karbowiak M, Edelstein N M, Drozdzynski J, Kossowski K 2002 Chem. Phys. 277 362
[16]	Xia S D 1994 Group Theory and Spectroscopy (Beijing: Science Press) pp262-283
[17]	Newman D J, Ng Betty 2000 Crystal Field Handbook (Cambridge: Cambridge University Press) pp43-46
[18]	Zhang Q L, Ning K J, Xiao J, Ding L H, Zhou W L, Liu W P, Yin S T, Jiang H H 2010 Chin. Phys. B 19 087501
[19]	da Gama A A S, da Sa Gilberto F 1981 J. Chem. Phys. 75 2583
[20]	Devi A R, Jayasankar C K, Reid M F 1994 J. Alloys Comp. 207 74

[1]	樊颖, 张庆礼, 高进云, 高宇茜, 黄磊, 刘耀. Nd³⁺:GdScO₃晶体场能级及拟合分析. 物理学报, 2024, 73(4): 044207. doi: 10.7498/aps.73.20231475
[2]	张耘, 王学维, 柏红梅. 第一性原理下铟锰共掺铌酸锂晶体的电子结构和吸收光谱. 物理学报, 2017, 66(2): 024208. doi: 10.7498/aps.66.024208
[3]	曲灵丰, 侯清玉, 赵春旺. Y掺杂ZnO最小光学带隙和吸收光谱的第一性原理研究. 物理学报, 2016, 65(3): 037103. doi: 10.7498/aps.65.037103
[4]	谭晓明, 赵刚, 张迪. BaCrSi4O10与AgGaSe2:Cr2+吸收光谱的精细结构及自旋单态对零场分裂参量的影响. 物理学报, 2016, 65(10): 107501. doi: 10.7498/aps.65.107501
[5]	赵佰强, 张耘, 邱晓燕, 王学维. Fe:Mg:LiNbO3晶体电子结构和吸收光谱的第一性原理研究. 物理学报, 2015, 64(12): 124210. doi: 10.7498/aps.64.124210
[6]	高进云, 张庆礼, 王小飞, 刘文鹏, 孙贵华, 孙敦陆, 殷绍唐. Nd3+掺杂GdTaO4的吸收光谱分析和晶场计算. 物理学报, 2015, 64(12): 124209. doi: 10.7498/aps.64.124209
[7]	毛斐, 侯清玉, 赵春旺, 郭少强. Pr高掺杂浓度对锐钛矿TiO2的带隙和吸收光谱影响的研究. 物理学报, 2014, 63(5): 057103. doi: 10.7498/aps.63.057103
[8]	李聪, 侯清玉, 张振铎, 张冰. Eu掺杂量对锐钛矿相TiO2电子寿命和吸收光谱影响的第一性原理研究. 物理学报, 2012, 61(7): 077102. doi: 10.7498/aps.61.077102
[9]	吕晓静, 翁春生, 李宁. 高压环境下1.58 μm波段CO2吸收光谱特性分析. 物理学报, 2012, 61(23): 234205. doi: 10.7498/aps.61.234205
[10]	吴叶青, 苏良碧, 徐军, 陈红兵, 李红军, 郑丽和, 王庆国. Yb:CaF2-SrF2激光晶体光谱性能以及热学性能的研究. 物理学报, 2012, 61(17): 177801. doi: 10.7498/aps.61.177801
[11]	宁凯杰, 张庆礼, 周鹏宇, 杨华军, 许兰, 孙敦陆, 殷绍唐. Yb3+:Gd2SiO5晶体的结构和光谱性能. 物理学报, 2012, 61(12): 128102. doi: 10.7498/aps.61.128102
[12]	徐凌, 唐超群, 钱俊. C掺杂锐钛矿相TiO2吸收光谱的第一性原理研究. 物理学报, 2010, 59(4): 2721-2727. doi: 10.7498/aps.59.2721
[13]	王晓丹, 徐晓东, 赵志伟, 徐文伟, 吴峰, 徐军. Tm:Y2SiO5晶体的生长和光谱性质研究. 物理学报, 2008, 57(8): 5007-5014. doi: 10.7498/aps.57.5007
[14]	王策, 陈晓波, 张春林, 张蕴芝, 陈鸾, 马辉, 李崧, 高爱华. Er3+：GdVO4中Er3+离子的光谱参数计算和晶场中能级分裂的讨论. 物理学报, 2007, 56(10): 6090-6097. doi: 10.7498/aps.56.6090
[15]	王晓丹, 赵志伟, 徐晓东, 宋平新, 姜本学, 徐军, 邓佩珍. 不同Yb掺杂量的Yb:Y3Al5O12晶体的光谱分析. 物理学报, 2006, 55(8): 4358-4364. doi: 10.7498/aps.55.4358
[16]	曾雄辉, 赵广军, 张连翰, 何晓明, 杭寅, 李红军, 徐军. 铝酸镧单晶体中Ce3+的能级结构和荧光特性. 物理学报, 2005, 54(2): 612-616. doi: 10.7498/aps.54.612
[17]	王引书, 高兴国, 赵亮, 汪艳贞, 王若桢. 玻璃中CdSSe纳米晶体的光谱性能. 物理学报, 2004, 53(8): 2775-2779. doi: 10.7498/aps.53.2775
[18]	宋　峰, 苏　静, 谭　浩, 商美茹, 吴朝晖, 田建国, 张光寅, 程振祥, 陈焕矗. 钨酸钇钠晶体中Tm3+的光谱特性. 物理学报, 2004, 53(10): 3591-3595. doi: 10.7498/aps.53.3591
[19]	谭　浩, 宋　峰, 苏　静, 商美茹, 付　博, 张光寅, 程振祥, 陈焕矗. Er3+，Tm3+共掺的NaY(WO4)2晶体的光谱分析和上转换发光. 物理学报, 2004, 53(2): 631-635. doi: 10.7498/aps.53.631
[20]	宋峰, 谭浩, 商美茹, 张光寅, 程振祥, 陈焕矗. 掺Er3+的NaY(WO4)2晶体的光谱特性. 物理学报, 2002, 51(10): 2375-2379. doi: 10.7498/aps.51.2375

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