Nd∶GdScO3晶体多波长激光性能研究

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.171

人工晶体学报 ›› 2025, Vol. 54 ›› Issue (10): 1740-1747.DOI: 10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.171

Nd∶GdScO₃晶体多波长激光性能研究

林文芳¹^,²(), 黄从晖¹^,², 房倩楠¹, 张宇航¹^,², 李善明¹^,², 陶斯亮¹, 赵呈春¹^,², 杭寅¹^,²()

1.中国科学院上海光学精密机械研究所激光晶体研究中心，上海 200050
2.中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049

收稿日期:2025-08-01 出版日期:2025-10-20 发布日期:2025-11-11
通信作者: 杭寅，研究员。E-mail：yhang@siom.ac.cn
作者简介:林文芳（1998—），女，海南省人，硕士研究生。E-mail：linwenfang@siom.ac.cn
杭寅，研究员，博士生导师，国务院政府特殊津贴专家（1993年），兼任中国晶体学会理事、中国稀土学会稀土晶体专业委员会副主任、中国硅酸盐学会晶体生长与材料分会理事、中国光学学会光学材料专业委员会委员和《人工晶体学报》顾问。1982年毕业于南京大学物理系，一直从事光电功能晶体材料的研究与开发工作。主持完成国家“863”“973”、国家自然科学基金、国防科工委、中国科学院和上海市科委等30多项课题。研制成功大尺寸钛宝石激光晶体、稀土离子掺杂氧化物和氟化物等新型激光晶体，以及新型掺钍核光钟晶体，发表SCI论文200多篇，获授权发明专利40多件，合作编著《稀土激光晶体》。
基金资助:
国家自然科学基金(52402015)

Multi-Wavelength Laser Operation in Nd∶GdScO₃ Crystal

LIN Wenfang¹^,²(), HUANG Conghui¹^,², FANG Qiannan¹, ZHANG Yuhang¹^,², LI Shanming¹^,², TAO Siliang¹, ZHAO Chengchun¹^,², HANG Yin¹^,²()

1. Research Center of Laser Crystal，Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Shanghai 201800，China
2. Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering，University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China

Received:2025-08-01 Online:2025-10-20 Published:2025-11-11

摘要/Abstract

摘要： Nd∶GdScO₃晶体是一种新型激光材料，其非均匀展宽光谱特性有利于实现新波长跃迁。实验采用提拉法生长了钕掺杂浓度为0.66%（原子数分数）的Nd∶GdScO₃晶体，以未镀膜的b切晶体结合石英双折射片（QBP），在V型折叠腔结构中首次实现了1和1.3 μm波段的多波长激光输出。1 μm波段，在1 085.0、1071.4和1 092.6 nm处分别实现了5.3、3.5和2.3 W连续激光输出，斜率效率分别为61.0%、45.0%和30.0%；1.3 μm波段实现了双波长连续激光输出，输出功率1.25 W，斜率效率39.0%，波长分别为1 353.6和1 375.3 nm。在1 375.3 nm处还获得了调谐范围为4.0 nm的可调谐激光。研究结果表明，Nd∶GdScO₃是一种具有非均匀展宽光谱的新型激光晶体，可以扩展钕离子的激光波长范围。

关键词: Nd∶GdScO₃; 激光晶体; 非均匀展宽光谱; 1 μm激光; 1.3 μm激光; 多波长激光

Abstract: We report， for the first time to our knowledge， multi-wavelength laser emission from Nd∶GdScO₃ crystal at ~1 μm and ~1.3 μm. Nd∶GdScO₃ crystal is a novel laser crystal with inhomogeneous broadening spectra， which has great advantages in providing new laser transitions. The Nd∶GdScO₃ crystal was grown by the Czochralski technique in this paper， with Nd³⁺ ions concentration of approximately 0.66% （atomic number fraction）. The laser experiments were conducted using b-cut Nd∶GdScO₃ crystals with dimensions of 5 mm in thickness， a cross-section of 3 mm×3 mm， and two highly polished surfaces without anti-reflective coatings. Multi-wavelength lasers were demonstrated by a single intracavity quartz birefringent plate （QBP）. The QBP featured a thickness of 2 mm， an optical axis aligned along its surface， and no additional coatings applied. The experimental setup incorporated a simple V-fold resonator cavity designed to mitigate thermal effects， within the QBP at Brewster’s angle in the cavity. Simulations on tunable lasers mechanism were performed as well， to evaluate the performance of QBP plate in this system. At 1 μm region， an efficient continuous wave （CW） laser at 1085.0 nm attained an output power up to 5.3 W with slope efficiency of 61.0% in free running mode. Additionally， maximum output power of 3.5 and 2.3 W was achieved at 1 071.4 and 1 092.6 nm， with slope efficiencies of approximately 45.0% and 30.0%， respectively. At 1.3 μm region， an efficient dual-wavelength CW laser at 1 353.6 and 1 375.3 nm reached an output power up to 1.25 W with slope efficiency of 39.0% in free running mode. Furthermore， lasers with a tunable range of 4.0 nm at approximately 1 375.3 nm were also obtained. Our results indicate that Nd∶GdScO₃ is capable of producing efficient multiple lasers at 1 071.4， 1085.4， 1092.6， 1353.6 and 1375.3 nm， expanding laser wavelength of Nd³⁺ ion.

Key words: Nd∶GdScO₃; laser crystal; inhomogeneous broadening spectra; laser at 1 μm; laser at 1.3 μm; multi-wavelength laser

中图分类号:

O734

林文芳, 黄从晖, 房倩楠, 张宇航, 李善明, 陶斯亮, 赵呈春, 杭寅. Nd∶GdScO₃晶体多波长激光性能研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(10): 1740-1747.

LIN Wenfang, HUANG Conghui, FANG Qiannan, ZHANG Yuhang, LI Shanming, TAO Siliang, ZHAO Chengchun, HANG Yin. Multi-Wavelength Laser Operation in Nd∶GdScO₃ Crystal[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2025, 54(10): 1740-1747.

图/表 10

图1 b切Nd∶GdScO3晶体在1 000~1 450 nm的发射截面

Fig.1 Emission cross section spectrum of b-cut Nd∶GdScO3 from 1 000 nm to 1 450 nm

图2 光线传播图。双折射片的晶轴取向为任意方向。图中蓝线表示晶轴方向，红线表示光束传播方向；ρ为双折射片的旋转角，σ为光轴与表面法线的夹角，d为晶体厚度，γ为晶轴与光束传播方向的夹角

Fig.2 Schematic diagram of a birefringent plate at Brewster’s angle. The orientation of the plate’s crystal axis is arbitrary. Blue line represents orientation of the crystal， red line represents direction of beam propagation， ρ is the rotation angle of the plate， σ is the angle between the optical axis and the surface normal， d is the thickness of the crystal， γ is the angle between the crystal axis and the beam propagation direction

图3 Nd∶GdScO3连续激光实验的V型腔设置

Fig.3 V-fold resonator cavity design for the Nd∶GdScO3 continuous wave lasers

图4 Nd∶GdScO3晶体在1 μm波段的激光性能。（a）输出镜透过率17.0%时，1 085.4、1 071.4和1 092.6 nm激光输出功率随吸收功率的变化关系；（b）1 085.4、1 071.4和1 092.6 nm处的激光光谱

Fig.4 Laser performance of Nd∶GdScO3 at 1 μm region. （a） Output power versus absorbed power at 1 085.4， 1 071.4 and 1 092.6 nm with 17.0% transmittance of OC；（b） laser spectra at 1 085.4， 1 071.4 and 1 092.6 nm

图5 仿真结果。（a）1 071.4和1 092.6 nm激光在旋转角0°~90°对应的透过率；（b）旋转角为34.6°， 37.9°， 54.4°和58.3°不同波长对应的透过率

Fig.5 Simulated results. （a） Transmittance at rotation angle of 0°~90° at 1 071.4 and 1 092.6 nm；（b） transmittance at selected rotation angle of 34.6°， 37.9°， 54.4° and 58.3°

表1 b切Nd∶GdScO3晶体的1 μm波段不同波长（1 071.4， 1 085.4和1 092.6 nm）的发射截面（ σem）

Table 1 Emission cross-section （ σem） of b-cut Nd∶GdScO3 crystal at different wavelengths （1 071.4， 1 085.4， and 1 092.6 nm） of 1 μm

Wavelength/nm	Transition	σ_em/（10^-20 cm²）	σ_em/σ_1085.4
1 071.4	⁴F_3/2→⁴I_11/2	5.0	0.68
1 085.4	⁴F_3/2→⁴I_11/2	7.4	1
1 092.6	⁴F_3/2→⁴I_11/2	2.3	0.31

图6 Nd∶GdScO3晶体在1.3 μm波段的激光性能。（a）输出透过率为5.0%时，1 353.6与1 375.3 nm双波长激光输出功率随吸收功率的变化关系；（b）双波长激光光谱

Fig.6 Laser performance of Nd∶GdScO3 at 1.3 μm region. （a） Dual-wavelength output power versus absorbed power at 1 353.6 and 1 375.3 nm with 5.0% transmittance of OC；（b） laser spectrum of dual-wavelength laser

图7 Nd∶GdScO3晶体1 375.3 nm调谐激光性能。（a）可调谐波长的输出功率；（b）归一化强度调谐激光光谱

Fig.7 Tuning lasers performance at 1 375.3 nm of the Nd∶GdScO3 crystal. （a） Output power of tunable wavelength；（b） normalized intensity laser spectra in the tuning range

表2 b切Nd∶GdScO3晶体的1.3 μm波段不同波长（1 353.6、1 375.3、1 373.4和1 377.4 nm）的发射截面（ σem）

Table 2 Emission cross-section （ σem） of b-cut Nd∶GdScO3 crystal at different wavelengths （1 353.6， 1 375.3， 1 373.4 and 1 377.4 nm） of 1.3 μm

Wavelength/nm	Transition	σ_em/（10^-20 cm²）	σ_em/σ_{1 353.6}	σ_em/σ_{1 375.3}
1 353.6	⁴F_3/2→⁴I_13/2	2.3	1	—
1 375.3	⁴F_3/2→⁴I_13/2	1.5	0.65	1
1 373.4	⁴F_3/2→⁴I_13/2	1.2	0.52	0.80
1 377.4	⁴F_3/2→⁴I_13/2	1.2	0.52	0.80

图8 仿真结果。（a）旋转角度为25°~75°时，1 373.4和1 377.4 nm处的透射率；（b）旋转角35.5°、36.0°、62.9°和63.7°不同波长透射率

Fig.8 Simulated results. （a） Transmittance at rotation angle of 25°~75° at 1 373.4 and 1 377.4 nm；（b） transmittance at selected rotation angle of 35.5°， 36.0°， 62.9° and 63.7°

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