Yb∶YAP单晶光纤的生长及光谱性能研究

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0175

摘要/Abstract

摘要： 采用微下拉法成功生长了系列不同掺杂浓度Yb∶YAlO₃（Yb∶YAP）单晶光纤。X射线衍射分析证实所得单晶光纤均为正交晶系。在室温下系统测试了样品的吸收光谱、荧光光谱和荧光衰减曲线。2.00%（原子数分数）Yb∶YAP单晶光纤在978 nm处的吸收截面为1.14×10^-20 cm²，在1 000 nm的最大发射截面达1.39×10^-20 cm²，显示出与商用激光二极管泵浦源良好的光谱匹配性。0.25%、0.50%、1.00%、2.00%和5.00%Yb∶YAP单晶光纤中²F_5/2能级荧光寿命分别为587、604、682、705和698 μs。结果表明Yb∶YAP单晶光纤是一种有潜力的超快激光增益介质。

关键词: 微下拉法; 单晶光纤; Yb∶YAP; 晶体生长; 光谱性能

Abstract: Yb³⁺-doped YAlO₃ （Yb∶YAP） crystal fibers with different doping concentrations were successfully grown using the micro-pulling-down method. X-ray diffraction （XRD） characterization verified their orthorhombic crystal structure. Absorption spectra， fluorescence spectra and fluorescence decay curves were systematically measured at room temperature. For the 2.00% （atomic fraction） doped sample， the absorption cross-section at 978 nm reaches 1.14×10^-20 cm²， while the maximum emission cross-section at 1 000 nm is 1.39×10^-20 cm²， showing good spectral compatibility with commercially available laser diodes. The measured ²F_5/2 level lifetime for 0.25%， 0.50%， 1.00%， 2.00% and 5.00%Yb∶YAP crystal fibers are 587， 604， 682， 705 and 698 μs， respectively. These results collectively indicate that Yb∶YAP crystal fibers are promising gain media for ultrafast laser applications.

Key words: micro-pulling-down method; crystal fiber; Yb∶YAP; crystal growth; spectral property

中图分类号:

O734

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图/表 10

图1 Yb∶YAP单晶光纤照片

Fig.1 Photograph of Yb∶YAP crystal fibers

图2 Yb∶YAP单晶光纤的XRD图谱及YAP的XRD标准图谱

Fig 2 XRD patterns of Yb∶YAP crystal fibers and standard pattern of YAP

表1 Yb∶YAP单晶光纤的晶胞参数

Table 1 Lattice parameters of Yb∶YAP crystal fibers

Crystal	a/Å	b/Å	c/Å
YAP	5.329 1	7.370 2	5.178 1
0.25%Yb∶YAP	5.325 5	7.365 8	5.173 7
0.50%Yb∶YAP	5.319 2	7.360 1	5.168 2
1.00%Yb∶YAP	5.309 3	7.351 8	5.158 4
2.00%Yb∶YAP	5.289 7	7.330 3	5.139 2
5.00%Yb∶YAP	5.229 1	7.270 8	5.078 0

图3 Yb∶YAP单晶光纤的吸收光谱

Fig.3 Absorption spectra of Yb∶YAP crystal fibers

图4 Yb∶YAP单晶光纤的荧光光谱

Fig.4 Fluorescence spectra of Yb∶YAP crystal fibers

表2 Yb∶YAP单晶光纤2F7/2→2F5/2跃迁对应的半峰全宽

Table 2 FWHM of 2F7/2→2F5/2 transition in Yb∶YAP crystal fibers

Doping concentration/%	Wavelength/nm	FWHM/nm
0.25	1 000	34.0
0.50	1 000	34.3
1.00	1 000	34.7
2.00	1 000	37.5
5.00	1 000	43.1

图5 2.00%Yb∶YAP单晶光纤的吸收和发射截面

Fig.5 Absorption and emission cross sections of 2.00%Yb∶YAP crystal fiber

图6 2.00%Yb∶YAP单晶光纤的增益截面

Fig.6 Gain cross sections of 2.00%Yb∶YAP crystal fiber

图7 Yb∶YAP单晶光纤2F5/2能级的荧光衰减曲线

Fig.7 Fluorescence decay curves of 2F5/2 energy level of Yb∶YAP crystal fibers

表3 Yb∶YAP与其他Yb3+掺杂晶体光谱参数比较

Table 3 Comparison of spectral parameters of Yb∶YAP with those of other Yb3+-doped crystals

Crystal	Yb concentration/%	Growth method	σ_abs/（10^-20 cm²）	σ_em/（10^-20 cm²）	Fluorescence lifetime/µs	Reference
Yb∶YAP	0.25	μ-PD	1.01@978 nm	0.58@1 020 nm	587	This work
	0.50		1.08@978 nm	0.51@1 020 nm	604
	1.00		1.09@978 nm	0.54@1 020 nm	682
	2.00		1.14@978 nm	0.58@1 020 nm	705
	5.00		1.22@978 nm	0.59@1 020 nm	698
Yb∶YAP	5	Cz	0.94@977.8 nm （E//a）	0.61@1 020 nm （E//b）	—	［13］
Yb∶YAG	10	Cz	0.80@941 nm	1.86@1 031 nm	1 080	［21］
Yb∶YScO₃	3	Cz	3.83@975 nm	1.74@1 039 nm	1 070	［27］
Yb∶GLSO	5	Cz	0.70@975 nm	0.68@1 030 nm	2 440	［28］
Yb∶CLNGG	5	Cz	1.84@972.2 nm	1.13@1 027 nm	782	［29］

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