Nd∶LuScO3单晶光纤的生长及光谱性能研究

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2026.0075

人工晶体学报 ›› 2026, Vol. 55 ›› Issue (8): 1206-1212.DOI: 10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2026.0075

Nd∶LuScO₃单晶光纤的生长及光谱性能研究

张家玮¹(), 徐天瑞¹^,², 吴安婷¹, 刘龙鑫³, 姜正元¹, 苏骏扬¹, 王无敌³, 刘鹏¹, 刘坚¹(), 蔡宏兵²(), 徐晓东¹, 徐军³

^1.江苏师范大学物理与电子工程学院，徐州 221116
^2.江苏师范大学江苏圣理工学院-中俄学院，徐州 221116
^3.同济大学物理科学与工程学院，上海 200092

收稿日期:2026-04-27 出版日期:2026-08-20 发布日期:2026-08-26
通信作者: 刘坚，博士，讲师。E-mail：jianliu586@jsnu.edu.cn；
蔡宏兵，博士，教授。E-mail：hbcai@jsnu.edu.cn
作者简介:张家玮（2002—），男，河北省人，硕士研究生。E-mail：a1354445221zjw@163.com
刘坚，江苏师范大学副教授，2022年于同济大学获博士学位。长期从事稀土掺杂激光晶体与单晶光纤的研发工作，在材料组分设计、晶体生长及光学性能优化方面积累了丰富经验。近年来，以第一作者或通信作者身份在Optics Letters、Optics Express及Journal of Luminescence等光学领域权威期刊发表学术论文30余篇。作为项目负责人，主持国家自然科学基金青年项目、江苏省青年科学基金及省高校面上项目等多项科研课题。
基金资助:
国家自然科学基金(62505118);江苏省基础研究计划(BK20230685)

Growth and Spectroscopic Properties of Nd∶LuScO₃ Crystal Fibers

ZHANG Jiawei¹(), XU Tianrui¹^,², WU Anting¹, LIU Longxin³, JIANG Zhengyuan¹, SU Junyang¹, WANG Wudi³, LIU Peng¹, LIU Jian¹(), CAI Hongbing²(), XU Xiaodong¹, XU Jun³

^1.School of Physics and Electronic Engineering，Jiangsu Normal University，Xuzhou 221116，China
^2.JSNU SPBPU Institute of Engineering and SINO-RUSSIAN Institute，Jiangsu Normal University，Xuzhou 221116，China
^3.School of Physics Science and Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China

Received:2026-04-27 Online:2026-08-20 Published:2026-08-26

摘要/Abstract

摘要： 单晶光纤兼具晶体材料的优异光学性能与光纤结构的紧凑性优势，是高功率、超快激光领域的研究热点。本文采用激光加热基座法成功生长了不同掺杂浓度的Nd∶LuScO₃单晶光纤，通过X射线衍射（XRD）研究了单晶光纤结构，并系统研究了光谱性能，包括吸收/发射截面、荧光寿命和Judd-Ofelt（J-O）理论分析。同时还研究了掺杂浓度对荧光寿命的影响。XRD证实生长所得的Nd∶LuScO₃单晶光纤为立方晶系，无杂相。通过吸收光谱计算得到Nd∶LuScO₃单晶光纤在807 nm处的吸收截面为1.16×10^-20 cm²，半峰全宽为10.63 nm。J-O强度参数分别为Ω₂=0.67×10^-20 cm²、Ω₄=2.59×10^-20 cm²、Ω₆=0.85×10^-20 cm²，⁴F_3/2→⁴I_9/2、⁴I_11/2、⁴I_13/2跃迁发射截面分别为0.99×10^-20、2.06×10^-20、0.41×10^-20 cm²。研究结果表明，Nd∶LuScO₃单晶光纤是一种有潜力实现近红外波段超快激光输出的增益介质。

关键词: Nd∶LuScO₃; 单晶光纤; 激光加热基座法; 晶体生长; 光谱性能

Abstract: Crystal fibers combine the excellent optical properties of crystalline materials with the compactness advantage of fiber structure， making them a research hotspot in high-power and ultrafast laser fields. In this work， Nd∶LuScO₃ crystal fibers with different doping concentrations were successfully grown by the laser-heated pedestal growth method. The crystal structure was characterized by X-ray diffraction （XRD）， and the spectroscopic properties， including absorption/emission cross sections， fluorescence lifetimes， and Judd-Ofelt （J-O） analysis were systematically investigated. The effect of doping concentration on fluorescence lifetime was also examined. XRD confirms that the as-grown Nd∶LuScO₃ crystal fibers possess a cubic crystal system without any impurity phases. From the absorption spectrum， the absorption cross section at 807 nm is calculated to be 1.16×10^-20 cm2， with a full width at half-maximum of 10.63 nm. The J-O intensity parameters are Ω₂=0.67×10^-20 cm2， Ω₄=2.59×10^-20 cm2， and Ω₆=0.85×10^-20 cm2. The emission cross sections for the ⁴F_3/2→⁴I_9/2， ⁴I_11/2， ⁴I_13/2 transitions are 0.99×10^-20， 2.06×10^-20， and 0.41×10^-20 cm2， respectively. These results indicate that Nd∶LuScO₃ crystal fiber is a promising gain medium for achieving ultrafast laser output in the near-infrared wavelength range.

Key words: Nd∶LuScO₃; crystal fiber; laser-heated pedestal growth method; crystal growth; spectroscopic property

中图分类号:

O734

张家玮, 徐天瑞, 吴安婷, 刘龙鑫, 姜正元, 苏骏扬, 王无敌, 刘鹏, 刘坚, 蔡宏兵, 徐晓东, 徐军. Nd∶LuScO₃单晶光纤的生长及光谱性能研究[J]. 人工晶体学报, 2026, 55(8): 1206-1212.

ZHANG Jiawei, XU Tianrui, WU Anting, LIU Longxin, JIANG Zhengyuan, SU Junyang, WANG Wudi, LIU Peng, LIU Jian, CAI Hongbing, XU Xiaodong, XU Jun. Growth and Spectroscopic Properties of Nd∶LuScO₃ Crystal Fibers[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2026, 55(8): 1206-1212.

图/表 9

图1 Nd∶LuScO3单晶光纤及光谱样品照片

Fig.1 Photographs of Nd∶LuScO3 crystal fibers and spectral samples

图2 Nd∶LuScO3单晶光纤的XRD图谱

Fig.2 XRD patterns of Nd∶LuScO3 crystal fibers

表1 Nd∶LuScO3单晶光纤的结构参数

Table 1 Structural parameters of Nd∶LuScO3 crystal fibers

Structural parameters	0.5% Nd∶LuScO₃	0.7% Nd∶LuScO₃	1.0% Nd∶LuScO₃
Crystal structure	Cubic	Cubic	Cubic
Space group	Ia3	Ia3	Ia3
a=b=c/Å	10.101 1	10.102 7	10.103 7
α=β=γ/（°）	90	90	90
V/Å	1 030.64	1 031.13	1 031.43
ρ_cal/（g·cm^-3）	6.903	6.898	6.893

图3 Nd∶LuScO3单晶光纤的吸收截面光谱

Fig.3 Absorption cross section spectra of Nd∶LuScO3 crystal fibers

表2 Nd∶LuScO3单晶光纤吸收谱不同跃迁的平均波长及实验和理论电偶极谱线强度

Table 2 Average wavelength， experimental and calculated electric dipole line strengths of different transitions in absorption spectra of Nd∶LuScO3 crystal fibers

Excited state（from ⁴I_9/2）	$λ ¯$ /nm	$S e x p$ /（10^-20 cm²）	$S c a l$ /（10^-20 cm²）
²L_15/2+⁴D_1/2+²I_11/2+⁴D_5/2+⁴D_3/2	358	1.541	1.478
²P_1/2	407	0.105	0.095
²K_15/2+²G_9/2+²D_3/2+⁴G_11/2	494	0.089	0.146
⁴G_7/2+⁴G_9/2+²K_13/2	525	0.629	0.683
⁴G_5/2+²G_7/2	597	2.247	2.252
⁴F_9/2	696	0.089	0.060
⁴F_7/2+⁴S_3/2	746	0.775	0.676
⁴F_5/2+²H_9/2	815	0.937	1.076
RMSΔS/（10^-20 cm²）		0.089

表2 Nd∶LuScO3单晶光纤吸收谱不同跃迁的平均波长及实验和理论电偶极谱线强度

Table 2 Average wavelength， experimental and calculated electric dipole line strengths of different transitions in absorption spectra of Nd∶LuScO3 crystal fibers

Excited state（from ⁴I_9/2）	$λ ¯$ /nm	$S e x p$ /（10^-20 cm²）	$S c a l$ /（10^-20 cm²）
²L_15/2+⁴D_1/2+²I_11/2+⁴D_5/2+⁴D_3/2	358	1.541	1.478
²P_1/2	407	0.105	0.095
²K_15/2+²G_9/2+²D_3/2+⁴G_11/2	494	0.089	0.146
⁴G_7/2+⁴G_9/2+²K_13/2	525	0.629	0.683
⁴G_5/2+²G_7/2	597	2.247	2.252
⁴F_9/2	696	0.089	0.060
⁴F_7/2+⁴S_3/2	746	0.775	0.676
⁴F_5/2+²H_9/2	815	0.937	1.076
RMSΔS/（10^-20 cm²）		0.089

表3 Nd∶LuScO3单晶光纤的自发跃迁概率、荧光分支比和辐射寿命

Table 3 Spontaneous transition rate， fluorescent branch ratio and radiation lifetime of Nd∶LuScO3 crystal fiber

Transition	$λ ¯ /$ nm	$A J → J'$ /s^-1	$β$ /%	$τ r a d$ /μs
⁴F_3/2				336
⁴F_3/2→⁴I_9/2	925	1 403.82	47.12
⁴F_3/2→⁴I_11/2	1 078	1 455.98	48.87
⁴F_3/2→⁴I_13/2	1 394	113.03	3.79
⁴F_3/2→⁴I_15/2	1 880	6.37	0.21

表3 Nd∶LuScO3单晶光纤的自发跃迁概率、荧光分支比和辐射寿命

Table 3 Spontaneous transition rate， fluorescent branch ratio and radiation lifetime of Nd∶LuScO3 crystal fiber

Transition	$λ ¯ /$ nm	$A J → J'$ /s^-1	$β$ /%	$τ r a d$ /μs
⁴F_3/2				336
⁴F_3/2→⁴I_9/2	925	1 403.82	47.12
⁴F_3/2→⁴I_11/2	1 078	1 455.98	48.87
⁴F_3/2→⁴I_13/2	1 394	113.03	3.79
⁴F_3/2→⁴I_15/2	1 880	6.37	0.21

图4 Nd∶LuScO3单晶光纤的荧光光谱

Fig.4 Fluorescence spectra of Nd∶LuScO3 crystal fibers

表4 Nd∶LuScO3单晶光纤的发射峰值波长、半峰全宽和发射截面

Table 4 Emission wavelength， FWHM and emission cross sections of Nd∶LuScO3 crystal fiber

Transition	λ_em/nm	FWHM/nm	σ_em/（10^-20 cm²）
⁴F_3/2→⁴I_9/2	898	9.77	0.99
⁴F_3/2→⁴I_11/2	1 081	12.57	2.06
⁴F_3/2→⁴I_13/2	1 366	14.96	0.41

图5 Nd∶LuScO3单晶光纤的荧光衰减曲线

Fig.5 Fluorescence decay curves of Nd∶LuScO3 crystal fibers

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