Tm∶CaGdAlO4单晶光纤的生长及激光性能研究

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2026.0071

人工晶体学报 ›› 2026, Vol. 55 ›› Issue (7): 1100-1110.DOI: 10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2026.0071

Tm∶CaGdAlO₄单晶光纤的生长及激光性能研究

马晓斐¹^,²(), 朱祥飞¹^,², 张明记³, 高晨心¹^,², 王涛³, 张健³, 贾志泰³, 王泽锋¹^,²()

^1.中国人民解放军国防科技大学前沿交叉学科学院，长沙 410073
^2.中国人民解放军国防科技大学南湖之光实验室，长沙 410073
^3.山东大学晶体材料全国重点实验室，济南 250100

收稿日期:2026-04-21 出版日期:2026-07-20 发布日期:2026-08-04
通信作者: 王泽锋，博士，教授。E-mail：zefengwang_nudt@163.com
作者简介:马晓斐（1997—），女，山东省人，博士。E-mail：xiaofeima_@nudt.edu.cn
王泽锋，教授、博士生导师，国防科技大学前沿交叉学科学院先进激光重点实验室主任，国家科技创新领军人才，国防科技卓青，王大珩光学奖中青年奖获得者。主要从事大功率光纤激光技术及其应用研究，承担国家/国防项目20多项，发表SCI论文100多篇，授权专利100多项，出版著作5部，获湖南省技术发明一等奖1项，军事科学技术发明二等奖1项。
基金资助:
国家自然科学基金(62505366);湖南省自然科学基金(2026JJ60212);新材料重大专项项目(2025ZD0617200);湖南省级科技计划项目(2021RC4027);国防科技大学创新研究项目(202402-YJRC-XX-008)

Growth and Laser Performance of Tm∶CaGdAlO₄ Single-Crystal Fiber

MA Xiaofei¹^,²(), ZHU Xiangfei¹^,², ZHANG Mingji³, GAO Chenxin¹^,², WANG Tao³, ZHANG Jian³, JIA Zhitai³, WANG Zefeng¹^,²()

^1.College of Advanced Interdisciplinary Studies，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China
^2.Nanhu Laser Laboratory，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China
^3.State Key Laboratory of Crystal Materials and Institute of Crystal Materials，Shandong University，Jinan 250100，China

Received:2026-04-21 Online:2026-07-20 Published:2026-08-04

摘要/Abstract

摘要： 本文采用微下拉法生长了掺Tm³⁺浓度为4%（摩尔分数）的CaGdAlO₄ （Tm∶CALGO）无序结构单晶光纤，系统研究了其晶体结构、光学性质、连续激光性能及与BiOX（X=Cl，Br，I）层状晶体可饱和吸收体集成的被动调Q脉冲激光特性。该晶体属于四方晶系，空间群为I4/mmm。X射线衍射和拉曼光谱证实所生长晶体为纯相CALGO结构，结晶质量良好。吸收光谱显示，晶体在793 nm处存在主吸收峰，半峰全宽达19.4 nm，源于无序结构导致的非均匀展宽。拉曼光谱测得该晶体的最高声子能量为614 cm^-1，低于YAG晶体的，有利于抑制非辐射弛豫。傅里叶变换红外透过光谱表明，晶体在2~6 μm波段透过率超过80%，红外截止边延伸至10 μm以上。在直腔结构下，Tm∶CALGO单晶光纤实现了最高3.338 W的连续激光输出，斜效率为27.3%，中心波长为1 982.8 nm。将BiOX晶体作为可饱和吸收体集成于激光腔中，在输出镜透过率为5%的条件下实现了稳定的被动调Q脉冲激光输出。采用BiOCl、BiOBr和BiOI作为可饱和吸收体时，获得的最高单脉冲能量分别为18.564、20.335和17.599 μJ，最窄脉冲宽度分别为420、570和506 ns，最高峰值功率分别为44.199、35.675和34.781 W。本文展示了Tm∶CALGO无序结构单晶光纤作为2 μm波段激光增益介质的优异性能，并为单晶光纤与新型可饱和吸收体的集成提供了可行性验证。

关键词: Tm∶CALGO单晶光纤; 微下拉法; 无序结构; 2 μm; 连续激光; 被动调Q; 卤氧化铋晶体

Abstract: In this study， a Tm³⁺-doped CaGdAlO₄ （Tm∶CALGO） disordered single-crystal fiber with a doping concentration of 4% （molar fraction） was grown by the micro-pulling-down method. The crystal structure， optical properties， continuous-wave laser performance， and passively Q-switched pulsed laser characteristics integrated with BiOX （X=Cl， Br， I） layered crystal saturable absorbers were systematically investigated. The crystal belongs to the tetragonal system with the space group I4/mmm. X-ray diffraction and Raman spectroscopy show that the as-grown crystal exhibits a pure CALGO phase with good crystallinity. The absorption spectrum reveals a main absorption peak at 793 nm with a full width at half maximum of 19.4 nm， which is attributed to the inhomogeneous broadening induced by the disordered structure. The highest phonon energy measured by Raman spectroscopy is 614 cm^-1， which is lower than that of YAG crystal and beneficial for suppressing non-radiative relaxation. Fourier-transform infrared transmission spectroscopy shows that the crystal exhibits a transmittance exceeding 80% in the 2~6 μm mid-infrared region， with an infrared cut-off edge extending beyond 10 μm. In a straight cavity configuration， a maximum continuous-wave output power of 3.338 W is achieved from the Tm∶CALGO single-crystal fiber， with a slope efficiency of 27.3% and a central wavelength of 1 982.8 nm. When BiOX crystals were integrated into the laser cavity as saturable absorbers， stable passively Q-switched pulsed laser outputs were obtained under an output coupler transmittance of 5%. With BiOCl， BiOBr， and BiOI as saturable absorbers， the maximum single-pulse energies obtained are 18.564， 20.335， and 17.599 μJ， the shortest pulse widths are 420， 570， and 506 ns， and the highest peak powers are 44.199， 35.675， and 34.781 W， respectively. This work demonstrates the excellent performance of Tm∶CALGO disordered single-crystal fibers as gain media for 2 μm lasers and provides a feasibility validation for the integration of single-crystal fibers with novel saturable absorbers.

Key words: Tm∶CALGO single-crystal fiber; micro-pulling-down method; disordered structure; 2 μm; continuous-wave laser; passive Q-switching; bismuth oxyhalide crystal

中图分类号:

O799

马晓斐, 朱祥飞, 张明记, 高晨心, 王涛, 张健, 贾志泰, 王泽锋. Tm∶CaGdAlO₄单晶光纤的生长及激光性能研究[J]. 人工晶体学报, 2026, 55(7): 1100-1110.

MA Xiaofei, ZHU Xiangfei, ZHANG Mingji, GAO Chenxin, WANG Tao, ZHANG Jian, JIA Zhitai, WANG Zefeng. Growth and Laser Performance of Tm∶CaGdAlO₄ Single-Crystal Fiber[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2026, 55(7): 1100-1110.

图/表 11

图1 （a）微下拉法生长Tm∶CALGO单晶光纤的装置示意图；（b）CALGO晶体结构示意图；（c）所生长的Tm∶CALGO单晶光纤实物照片；通过化学气相传输法制备的BiOCl（d）、BiOBr（e）与BiOI（f）晶体照片

Fig.1 （a） Schematic diagram of the micro-pulling-down setup for Tm∶CALGO single-crystal fiber growth；（b） crystal structure illustration of CALGO；（c） photograph of the as-grown Tm∶CALGO single-crystal fiber； photographs of BiOCl （d）， BiOBr （e）， and BiOI （f） crystals， respectively， prepared by the chemical vapor transport method

图2 开孔Z扫描测试装置示意图

Fig.2 Schematic diagram of the open-aperture Z-scan experimental setup

图3 被动调Q Tm∶CALGO单晶光纤脉冲激光光路示意图（插图为典型输出波形）

Fig.3 Schematic diagram of the passively Q-switched Tm∶CALGO single-crystal fiber pulsed laser setup （inset： typical output pulse train and waveform）

图4 Tm∶CALGO单晶光纤的晶体质量表征。（a）粉末XRD图谱；（b）劳厄背反射衍射图谱；（c）拉曼光谱

Fig.4 Crystal quality characterization of Tm∶CALGO single-crystal fiber. （a） Powder XRD pattern；（b） Laue back-reflection diffraction pattern；（c） Raman spectrum

图5 Tm∶CALGO单晶光纤的光谱性能。（a）FTIR透过光谱；（b）吸收光谱

Fig.5 Spectral properties of Tm∶CALGO single-crystal fiber. （a） FTIR transmission spectrum；（b） absorption spectrum

图6 不同输出镜透过率下Tm∶CALGO单晶光纤的连续激光性能。（a）输出功率随吸收泵浦功率的变化；（b）输出光谱

Fig.6 Continuous-wave laser performance of Tm∶CALGO single-crystal fiber under different output coupler transmittances. （a） Output power versus absorbed pump power；（b） output spectra

图7 BiOX可饱和吸收体的光学性能。（a）FTIR透过光谱；（b）在2 μm激光激发下的开孔Z扫描曲线

Fig.7 Optical properties of BiOX saturable absorbers. （a） FTIR transmission spectra；（b） open-aperture Z-scan curves under 2 μm laser excitation

表1 BiOX晶体在2 μm波段的非线性光学参数

Table 1 Nonlinear optical parameters of BiOX crystals at 2 μm

SA	α₀/mm^-1	β/（cm·MW^-1）	ΔR/%
BiOCl	0.023	-0.204	8.8
BiOBr	0.027	-0.322	12.3
BiOI	0.033	-0.471	16.2

图8 BiOX可饱和吸收体被动调Q Tm∶CALGO单晶光纤脉冲激光输出功率与光谱。（a）平均输出功率随吸收泵浦功率的变化；（b）输出光谱

Fig.8 Passively Q-switched laser output power and spectra of Tm∶CALGO single-crystal fiber with BiOX saturable absorbers. （a） Average output power versus absorbed pump power；（b） output spectra

图9 BiOX可饱和吸收体被动调Q Tm∶CALGO单晶光纤脉冲激光性能。（a）脉冲重复频率和脉冲宽度随吸收泵浦功率的变化；（b）单脉冲能量和峰值功率随吸收泵浦功率的变化

Fig.9 Passively Q-switched laser performance of Tm∶CALGO single-crystal fiber with BiOX saturable absorbers. （a） Pulse repetition rate and pulse duration versus absorbed pump power；（b） single-pulse energy and peak power versus absorbed pump power

表2 掺铥增益介质与不同可饱和吸收体结合实现的被动调Q脉冲激光器的研究结果

Table 2 Results of passively Q-switched pulsed lasers realized by combining Tm3+-doped gain media with different saturable absorbers

SA	Gain medium	λ/nm	Mean power/W	Single pulse energy/μJ	Pulse duration/ns	Repetition rate/kHz	Reference
MoS₂	Tm∶CaYAlO₄	1 850	0.490	4.87	480	102.6	［39］
MoS₂	Tm∶YAG	2 330	0.204	1.07	150	190	［40］
Graphdiyne	Tm∶YAG	2 007.6	1.044		895	180.5	［41］
MoS₂	Tm∶CLNGG	1 977	0.062	0.72		110	［42］
Cr²⁺∶ZnS	Tm，Ho∶LLF	2 055	0.074	13	12 000	5.8	［43］
BiOCl	Tm∶CALGO	1 978.5	1.352	18.564	420	72.83	This work
BiOBr	Tm∶CALGO	1 979.6	1.421	20.335	570	69.88	This work
BiOI	Tm∶CALGO	1 981.7	1.532	17.599	506	87.05	This work

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Growth and Laser Performance of Tm∶CaGdAlO₄ Single-Crystal Fiber

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