Er3+/Yb3+双掺ScLuSi2O7混晶：高性能1.55 μm波段激光晶体的构建及性能研究

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0167

人工晶体学报 ›› 2025, Vol. 54 ›› Issue (10): 1796-1810.DOI: 10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0167

Er³⁺/Yb³⁺双掺ScLuSi₂O₇混晶：高性能1.55 μm波段激光晶体的构建及性能研究

龚兴红(), 陈雨金, 黄建华, 林炎富, 黄艺东()

中国科学院福建物质结构研究所，功能晶体与器件全国重点实验室，福州 350002

收稿日期:2025-07-30 出版日期:2025-10-20 发布日期:2025-11-11
通信作者: 黄艺东，博士，研究员。E-mail：huyd@fjirsm.ac.cn
作者简介:龚兴红（1978—），男，云南省人，博士，副研究员。E-mail：newgxh@fjirsm.ac.cn
龚兴红，中国科学院福建物质结构研究所副研究员，主要从事固体激光材料研究。主持和参与国家自然科学基金、福建省自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院仪器研制等项目。合作发表SCI论文100多篇，授权中国发明专利10多项。
黄艺东，中国科学院福建物质结构研究所研究员，博士生导师，主要从事光电子材料和器件研究。1998年入选中国科学院“百人计划”，2004年入选首批“新世纪百千万人才工程”国家级人选，担任国家人工晶体标准化技术委员会委员、中国稀土学会发光专业委员会副主任、福建省光学学会副理事长。先后主持和参加了50多项省部级以上科研项目，合作发表SCI论文200多篇，授权中国发明专利20多项。
基金资助:
国家自然科学基金(52272010);国家重点研发计划(2021YFB3601504);福建省自然科学基金(2023J02027)

Er³⁺/Yb³⁺ Codoped ScLuSi₂O₇ Mixed Crystals: Construction and Performance Investigation of High-Performance 1.55 μm Laser Crystals

GONG Xinghong(), CHEN Yujin, HUANG Jianhua, LIN Yanfu, HUANG Yidong()

State Key Laboratory of Functional Crystals and Devices，Fujian Institute of Research on the Structure of Matter，Chinese Academy of Sciences，Fuzhou 350002，China

Received:2025-07-30 Online:2025-10-20 Published:2025-11-11

摘要/Abstract

摘要： 人眼安全1.55 μm波段激光在光通信、激光雷达等领域具有重要应用。本研究采用理论模拟与实验相结合的方法，对1.55 μm激光晶体Er∶Yb∶ScLuSi₂O₇的构建及性能进行了深入研究。首先，对ScLuSi₂O₇晶体的光学、力学和热学性能进行理论模拟，分析其结构组成与性能的关系。计算得到ScLuSi₂O₇晶体折射率温度系数为4.11×10^-6 K^-1。同时，计算了ScLuSi₂O₇晶体的弹性刚度系数，并基于Voigt-Reuss-Hill近似，得到了该晶体的热力学参数，包括德拜温度（约为554 K）、比热容（0.61 J·g^-1·K^-1@300 K）和平均热导率（8.6 W m^-1·K^-1@300 K）。在实验部分，通过提拉法生长Er∶Yb∶ScLuSi₂O₇单晶，并研究其作为1.55 μm激光增益介质的光谱特性。采用975.4 nm激光二极管对该晶体进行端面泵浦，获得最高功率为1.06 W和斜率效率为13.53%的1.55 μm波段连续激光输出。

关键词: Er∶Yb∶ScLuSi₂O₇; 激光晶体; 理论模拟; 热力学参数; 提拉法; 1.55 μm波段激光

Abstract: Eye-safe 1.55 μm lasers have significant applications in optical communication， LiDAR， and other fields. This study combines theoretical modeling with experiments to explore the properties of 1.55 μm laser crystals. The optical， mechanical， and thermal characteristics of ScLuSi₂O₇ crystals were simulated theoretically， uncovering the link between their structure and performance. The refractive index temperature coefficient of ScLuSi₂O₇ was calculated as 4.11×10^-6 K^-1. The elastic stiffness coefficients were also determined， and using the Voigt-Reuss-Hill approximation， key thermodynamic properties were derived： Debye temperature （~554 K）， specific heat capacity （0.61 J·g^-1·K^-1 at 300 K）， and average thermal conductivity （8.6 W·m^-1·K^-1 at 300 K）. Experimentally， Er∶Yb∶ScLuSi₂O₇ single crystals were grown via the Czochralski method， and their spectroscopic properties as 1.55 μm laser gain media were examined. End-pumped by a 975.4 nm laser diode， a continuous 1.55 μm laser output of up to 1.06 W with a slope efficiency of 13.53% was achieved. This work offers valuable theoretical and experimental insights for developing 1.55 μm laser crystals.

Key words: Er∶Yb∶ScLuSi₂O₇; laser crystal; theoretical simulation; thermodynamic parameter; Czochralski method; 1.55 μm laser

中图分类号:

O731

龚兴红, 陈雨金, 黄建华, 林炎富, 黄艺东. Er³⁺/Yb³⁺双掺ScLuSi₂O₇混晶：高性能1.55 μm波段激光晶体的构建及性能研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(10): 1796-1810.

GONG Xinghong, CHEN Yujin, HUANG Jianhua, LIN Yanfu, HUANG Yidong. Er³⁺/Yb³⁺ Codoped ScLuSi₂O₇ Mixed Crystals: Construction and Performance Investigation of High-Performance 1.55 μm Laser Crystals[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2025, 54(10): 1796-1810.

图/表 19

图1 Er3+/Yb3+掺杂晶体1.55 μm波段激光运转机制简图

Fig.1 A schematic illustration of the working principle for an Er3+/Yb3+ doped fluoride crystal laser in the 1.55 μm wavelength region

图2 采用提拉法生长的Er∶Yb∶SLPS单晶

Fig.2 Er∶Yb∶SLPS single crystal grown by the Czochralski method

图3 SLPS晶体的XRD图谱。（a）根据CASTEP软件优化得到的SLPS晶体结构模拟的XRD图谱；（b）所生长Er∶Yb∶SLPS晶体的XRD图谱

Fig.3 XRD patterns of SLPS crystal. （a） Simulated XRD pattern of the SLPS crystal structure optimized by the CASTEP software；（b） XRD pattern of the as-grown Er∶Yb∶SLPS crystal

表1 实验及CASTEP代码得到的SLPS晶体的晶胞常数

Table 1 Lattice constants of SLPS crystal obtained from experiment and the CASTEP code

Crystal	Space group	a/Å	b/Å	c/Å	β/（^o）	V/Å³
Er∶Yb∶ScLuSi₂O₇^Exp.	C2/m	6.71	8.66	4.74	101.01	270.75
ScLuSi₂O₇^Calc.	C2/m	6.70	8.75	4.73	101.84	271.66
Difference/%	—	0.15	1.02	0.21	0.82	0.34

图4 SLPS的原子态密度图。（a）SLPS的总态密度和原子投影态密度；（b）Sc及Lu在SLPS中的分态密度

Fig.4 Atomic density of states of SLPS. （a） Total density of states and atomic projected density of states of SLPS；（b） partial density of states of Sc and Lu in SLPS

表2 计算得到的SLPS的弹性刚度系数cij (GPa)

Table 2 Calculated elastic stiffness coefficientscij of SLPS

c₁₁	c₂₂	c₃₃	c₄₄	c₅₅	c₆₆	c₁₂	c₁₃	c₁₅	c₂₃	c₂₅	c₃₅	c₄₆
284.70	213.92	216.74	83.10	96.16	69.71	116.70	128.31	-10.10	112.42	35.48	-5.08	22.07

图5 SLPS晶体的弹性模量图。（a）SLPS晶体各向异性弹性模量图；（b）SLPS晶体弹性模量在XY、YZ和XZ截面的分布图

Fig.5 Elastic modulus of SLPS crystal. （a） Anisotropic elastic modulus map of the SLPS crystal；（b） distributions of elastic modulus of the SLPS crystal in the XY， YZ and XZ sections

表3 计算得到的GH、BH、vt、vl、θD、γe和kp

Table 3 Calculated GH， BH， vt， vl， θD， γe， and kp

Parameter	SLPS	LPS^［28］
G_H/GPa	69	68
B_H/GPa	156	160
E_H/GPa	180.4	178.7
v_t/（m∙S^-1）	3 815	3 298
v_l/（m∙S^-1）	7 233	6 333
v_m/（m∙S^-1）	4 265	3 691
$Θ D$ /K	554	473
γ_e	1.819	1.870
k_p	0.442	0.425

表3 计算得到的GH、BH、vt、vl、θD、γe和kp

Table 3 Calculated GH， BH， vt， vl， θD， γe， and kp

Parameter	SLPS	LPS^［28］
G_H/GPa	69	68
B_H/GPa	156	160
E_H/GPa	180.4	178.7
v_t/（m∙S^-1）	3 815	3 298
v_l/（m∙S^-1）	7 233	6 333
v_m/（m∙S^-1）	4 265	3 691
$Θ D$ /K	554	473
γ_e	1.819	1.870
k_p	0.442	0.425

图6 计算得到SLPS及LPS的比热容曲线

Fig.6 Calculated specific heat capacity curves of SLPS and LPS

图7 不同温度下SLPS和LPS平均热导率对比

Fig 7 Comparison of the average thermal conductivity of SLPS and LPS at different temperatures

图8 不同温度下SLPS和LPS线膨胀系数对比

Fig.8 Comparison of linear expansion coefficients of SLPS and LPS at different temperatures

图9 Er∶Yb∶SLPS晶体的光谱。（a）Er∶Yb∶SLPS晶体在350~850 nm波段的偏振吸收截面谱；（b）Er∶Yb∶SLPS晶体在875~1 050 nm波段的偏振吸收截面谱；（c）Er∶Yb∶SLPS晶体在1 450~1 650 nm波段的偏振吸收和发射截面谱

Fig.9 Spectra of Er∶Yb∶SLPS crystal. （a） Polarized absorption cross-section spectra of the Er∶Yb∶SLPS crystal in 350~850 nm；（b） polarized absorption cross-section spectra of the Er∶Yb∶SLPS crystal in 875~1 050 nm；（c） polarized absorption and emission cross-section spectra of the Er∶Yb∶SLPS crystal 1 450~1 650 nm

表4 Er3+在Er∶Yb∶SLPS晶体中的J-O强度参数、自发跃迁概率A及辐射寿命 τr

Table 4 Judd-Ofelt intensity parameters， spontaneous transition probabilities A， and radiative lifetimes τr of Er3+ in Er∶Yb∶SLPS crystal

Parameter		E//X	E//Y	E//Z
Ω_t （t=2，4，6）（10^-20 cm²）	Ω₂	1.81	3.06	4.34
	Ω₄	0.97	0.97	2.41
	Ω₆	0.44	1.11	0.09
A/s^-1	⁴I_13/2→⁴I_15/2	116.77	191.89	94.25
	⁴I_11/2→⁴I_13/2	23.11	23.17	22.20
	⁴I_11/2→⁴I_15/2	80.27	185.74	55.80
τ_r/ms	⁴I_11/2		7.73
τ_r/ms	⁴I_13/2		7.45

图10 Er∶Yb∶SLPS的偏振增益截面谱

Fig.10 Polarized gain cross-section spectra of Er∶Yb∶SLPS

图11 Er∶SLPS、Yb∶SLPS及Er∶Yb∶SLPS晶体中Er3+与Yb3+相关能级的荧光衰减曲线。（a）Er∶SLPS晶体中Er3+的4I13/2能级荧光衰减曲线；（b）Er∶SLPS晶体中Er3+的4I11/2能级荧光衰减曲线；（c）Yb∶SLPS晶体中Yb3+的2F5/2能级荧光衰减曲线；（d）Er∶Yb∶SLPS晶体中Yb3+的2F5/2能级荧光衰减曲线

Fig.11 Fluorescence decay curves of Er3+ and Yb3+ related energy levels in Er∶SLPS， Yb∶SLPS， and Er∶Yb∶SLPS crystals. （a） Fluorescence decay curve of the 4I13/2 of Er3+ in the Er∶SLPS crystal；（b） fluorescence decay curve of the 4I11/2 of Er3+ in the Er∶SLPS crystal；（c） fluorescence decay curve of the 2F5/2 of Yb3+ in the Yb∶SLPS crystal；（d） fluorescence decay curve of the 2F5/2 of Yb3+ in the Er∶Yb∶SLPS crystal

表5 Er∶Yb∶SLPS和Er∶Yb∶LPS晶体中与1.55 μm波段激光相关的光谱参数比较

Table 5 Comparison of spectroscopic parameters related to the 1.55 μm laser in the Er∶Yb∶SLPS and Er∶Yb∶LPS crystals

Spectroscopic parameter	SLPS	LPS^［7］
Concentration of Er³⁺/（10²⁰ cm^-3）	0.68	0.72
Concentration of Yb³⁺/（10²⁰ cm^-3）	6.9	7.2
Peak absorption wavelength， λ_P/nm	978	978（E//X， E//Z） 977（E//Y）
σ_abs at λ_p/（10^-20 cm²）	1.54（E//X） 0.85（E//Y） 1.69（E//Z）	1.30（E//X） 0.89（E//Y） 1.47（E//Z）
Peak emission wavelength， λ_e/nm	1 537	1 537
σ_em at λ_e/（10^-20 cm²）	1.09（E//X） 1.03（E//Y） 0.76（E//Z）	0.85（E//X） 1.20（E//Y） 0.81（E//Z）
τ_f of ⁴I_13/2 multiplet/ms	7.80	8.45
τ_f of ⁴I_11/2 multiplet/μs	6.53	8.33
Yb³⁺→Er³⁺ energy transfer efficiency/%	83	86

图12 975.4 nm LD泵浦的Er∶Yb∶SLPS晶体1.5～1.6 μm连续激光实验装置示意图

Fig.12 Schematic diagram of the 1.5~1.6 μm continuous-wave laser experimental setup for Er∶Yb∶SLPS crystal pumped by a 975.4 nm LD

图13 不同输出镜透过率T下，Er∶Yb∶SLPS连续激光输出功率随吸收泵浦功率的变化关系

Fig.13 Relationship between the continuous-wave laser output power of the Er∶Yb∶SLPS and the absorbed pump power under different output coupler transmissions T

图14 不同输出镜透过率下，吸收泵浦功率为9.28 W时Er∶Yb∶SLPS的激光光谱

Fig.14 Er∶Yb∶SLPS laser spectra at an absorbed pump power of 9.28 W for different output coupler transmissions

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Er³⁺/Yb³⁺双掺ScLuSi₂O₇混晶：高性能1.55 μm波段激光晶体的构建及性能研究

Er³⁺/Yb³⁺ Codoped ScLuSi₂O₇ Mixed Crystals: Construction and Performance Investigation of High-Performance 1.55 μm Laser Crystals

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