Yb3+掺杂Ca(Y,Gd)AlO4混晶的生长、光谱和激光性能研究

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0169

人工晶体学报 ›› 2025, Vol. 54 ›› Issue (10): 1780-1786.DOI: 10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0169

Yb³⁺掺杂Ca(Y,Gd)AlO₄混晶的生长、光谱和激光性能研究

吴闻杰¹^,²(), 谭俊成¹^,², 张雅馨¹^,², 李真²^,³, 吕启涛¹^,⁴, 张沛雄¹^,²^,³(), 陈振强¹^,²^,³()

1.广东省晶体材料和晶体激光技术与应用工程技术研究中心，广州 510632
2.暨南大学物理与光电工程学院，广州 510632
3.广东省光纤传感与通信技术重点实验室，广州 510630
4.广东省工业超短脉冲激光技术重点实验室，深圳 518055

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: 张沛雄，博士，教授。E-mail：pxzhang@jnu.edu.cn；陈振强，博士，研究员。E-mail：tzqchen@jnu.edu.cn
作者简介:吴闻杰（1964—），男，广东省人，博士研究生。E-mail：wuwenjie8108@stu.jnu.edu.cn
张沛雄，博士，暨南大学理工学院教授。《人工晶体学报》青年编委。广东省晶体材料和晶体激光技术与应用工程研究中心副主任。主要研究方向为体块光电功能晶体材料及激光技术，在新型稀土中红外氟化物激光晶体的生长和发光调控、超快激光晶体光谱展宽调控、稀土掺杂铌酸锂/钽酸锂多功能晶体及其器件、磁光晶体研制、新型全固态激光技术等方面开展原创性研究工作。目前已发表100多篇学术论文，获授权发明专利10多项。
陈振强，博士，研究员，暨南大学激光技术及固体发光材料研究团队负责人。《人工晶体学报》顾问。主要研究方向为光电晶体材料的生长技术、发光性能及其发光机理，新颖激光技术与激光器件设计，激光技术的工业应用，高光谱显微成像技术及应用等。目前主持国家自然科学基金、广东省产学研项目、广州市项目等4项。先后在国内外著名期刊上发表论文120多篇，申请专利17项。
基金资助:
国家自然科学基金(62375106);国家自然科学基金(51972149);国家自然科学基金(518721307);国家自然科学基金(51702124);广州市科技计划(2024A03J0240)

Growth, Spectral and Laser Performance of Yb³⁺ Doped Ca(Y, Gd)AlO₄ Mixed Crystals

WU Wenjie¹^,²(), TAN Juncheng¹^,², ZHANG Yaxin¹^,², LI Zhen²^,³, LYU Qitao¹^,⁴, ZHANG Peixiong¹^,²^,³(), CHEN Zhenqiang¹^,²^,³()

1. Guangdong Provincial Engineering Research Center of Crystal and Laser Technology，Guangzhou 510632，China
2. College of Physics & Optoelectronic Engineering，Jinan University，Guangzhou 510632，China
3. Guangdong Provincial Key Laboratory of Optical Fiber Sensing and Communications，Guangzhou 510630，China
4. Guangdong Provincial Key Laboratory of Industrial Ultrashort Pulse Laser Technology，Shenzhen 518055，China

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

摘要/Abstract

摘要： 结构无序晶体因局域环境多样性导致的非均匀光谱展宽特性受到广泛关注，有望在超快激光领域获得应用。本文采用提拉法生长了Yb³⁺掺杂浓度为10%（原子数分数）的Yb∶CaY_0.8Gd_0.2AlO₄ （CYGA）晶体，研究了Yb∶CYGA晶体的偏振光学性能及激光特性，测试了室温下晶体样品的偏振吸收光谱，以及偏振发射光谱和荧光衰减曲线。由于CYGA混晶的强无序性，Yb∶CYGA晶体光谱得到了非均匀展宽，在π偏振方向上吸收光谱半峰全宽达到25.0 nm并且发射光谱半峰全宽达到92.2 nm，同时也在10%（原子数分数）的高掺杂浓度时荧光寿命长达1.04 ms。在短腔及V腔中均实现了~1.05 μm的连续稳定激光输出。其中，短腔中最大激光输出功率为4.400 W，而在V腔中利用双折射滤光片（BF）实现了调谐范围为23 nm的可调谐激光输出。

关键词: Yb∶CYGA; 提拉法; 混晶; 结构无序晶体; 光谱性能; 激光晶体; 光谱展宽

Abstract: Structurally disordered crystals exhibit non-uniform spectral broadening due to diverse local environments， attracting significant attention for their potential applications in ultrafast lasers. Yb∶CaY_0.8Gd_0.2AlO₄ （CYGA） crystals with a 10% （atomic fraction） Yb³⁺ doping concentration were grown by Czochralski method. The polarization optical properties and laser characteristics of Yb∶CYGA crystals were studied. The polarization absorption spectra， polarization emission spectra， and fluorescence decay curves of the crystal samples at room temperature were tested. Due to the strong disorder in the CYGA mixed crystals， the spectra of Yb∶CYGA crystals show non-uniform broadening， with the half-width of the absorption spectrum reaching 25.0 nm and the full width at half maximum of the emission spectrum reaching 92.2 nm in the π polarization direction. Additionally， at a high doping concentration of 10%， the fluorescence lifetime is as long as 1.04 ms. Continuous and stable laser outputs of approximately 1.05 μm are achieved in both the short cavity and V cavity. The maximum laser output power in the short cavity is 4.400 W， while the V cavity achieve tunable laser output with a tuning range of 23 nm using a birefringent filter （BF）.

Key words: Yb∶CYGA; Czochralski method; mixed crystal; structurally disordered crystal; spectral performance; laser crystal; spectral broadening

中图分类号:

O734

吴闻杰, 谭俊成, 张雅馨, 李真, 吕启涛, 张沛雄, 陈振强. Yb³⁺掺杂Ca(Y,Gd)AlO₄混晶的生长、光谱和激光性能研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(10): 1780-1786.

WU Wenjie, TAN Juncheng, ZHANG Yaxin, LI Zhen, LYU Qitao, ZHANG Peixiong, CHEN Zhenqiang. Growth, Spectral and Laser Performance of Yb³⁺ Doped Ca(Y, Gd)AlO₄ Mixed Crystals[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2025, 54(10): 1780-1786.

图/表 8

图1 Yb∶CYGA晶体的XRD图谱

Fig.1 XRD pattern of Yb∶CYGA crystal

图2 Yb∶CYGA晶体的荧光衰减曲线

Fig.2 Fluorescence decay curve of Yb∶CYGA crystal

图3 Yb∶CYGA晶体的偏振吸收截面与发射截面

Fig.3 Polarization absorption cross-section and emission cross-section of Yb∶CYGA crystal

表1 Yb∶CYGA晶体与一些激光晶体的主要光学参数

Table 1 Main optical parameters of Yb∶CYGA crystal and some laser crystals

Crystal	σ_abs/（10^-20 cm²）	FWHM （absorption）/nm	σ_em/（10^-20 cm²）	FWHM （emission）/nm	τ_f/ms	Reference
10%Yb∶CYGA	1.01@π	25.0	0.43@π	92.2	1.04	This work
10%Yb∶CYGA	0.64@σ	12.5	0.52@σ	79.3	1.04	This work
5%Yb∶CYA	5.07@π	11	0.50@σ	61	0.43	［14］
2%Yb∶CGA	1.00@π	>5	0.75@π	80	0.42	［8］
2%Yb∶CGA	2.70@σ	>5	0.25@σ	80	0.42	［8］
10%Yb∶YAG	0.66	20	1.52	10	1.15	［7］
10%Yb∶LuAG	0.67	22	1.75	10	0.99	［7］
5%Yb∶LuGG	0.86	24	2.11	18	1.09	［17］
1.6%Yb∶YVO₄	7.40	5	1.25	31	0.25	［18］
5%Yb∶YNbO₄	1.85	17	1.11	41	0.91	［19］

图4 Yb∶CYGA晶体的增益截面

Fig.4 Gain section of Yb∶CYGA crystal

图5 Yb∶CYGA激光器实验装置示意图

Fig.5 Schematic of the experimental setup of the Yb∶CYGA laser

图6 Yb∶CYGA晶体连续激光。（a）短腔中激光输出功率与吸收泵浦功率的关系；（b）短腔输出激光光谱；（c）短腔输出功率稳定性；（d）V腔中激光输出功率与吸收泵浦功率的关系；（e）V腔输出激光光谱

Fig.6 Yb∶CYGA crystal continuous laser. （a） Relationship between laser output power and absorption pump power in the short cavity；（b） output laser spectrum in the short cavity；（c） output power stability in the short cavity；（d） relationship between laser output power and absorption pump power in the V-folded cavity；（e） output laser spectrum in the V-folded cavity

图7 Yb∶CYGA晶体可调谐激光器单波长光谱

Fig.7 Single wavelength spectra of Yb∶CYGA crystal tunable laser

参考文献 20

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Yb³⁺掺杂Ca(Y,Gd)AlO₄混晶的生长、光谱和激光性能研究

Growth, Spectral and Laser Performance of Yb³⁺ Doped Ca(Y, Gd)AlO₄ Mixed Crystals

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