微下拉法Er∶CNGG晶体的生长及光谱性能研究

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0022

摘要/Abstract

摘要： 采用微下拉法生长出掺杂浓度（原子数分数）为0.3%、2.0%、3.0%和5.0%的Er∶CNGG晶体。X射线衍射（XRD）测试表明Er∶CNGG晶体属于立方晶系。测试了Er∶CNGG晶体的吸收光谱、荧光光谱和荧光衰减曲线。5.0%Er∶CNGG晶体在968 nm处的吸收系数为1.70 cm^-1，半峰全宽（FWHM）为17.5 nm，可有效匹配商用激光二极管泵浦源。5.0%Er∶CNGG晶体最强发射峰位于2 709 nm，对应的FWHM为17.3 nm。计算得到0.3%、2.0%、3.0%和5.0%的Er∶CNGG晶体⁴I_13/2能级寿命分别为5.97、6.30、6.46和5.73 ms。研究结果表明高浓度Er∶CNGG晶体是一种有潜力的2.7 μm波段激光增益介质。

关键词: Er∶CNGG; 微下拉法; 晶体生长; 光谱性能; 2.7 μm; 激光增益介质

Abstract: Er∶CNGG crystals with the doping concentration （atomic fraction） of 0.3%， 2.0%， 3.0% and 5.0% were grown by the micro-pulling-down method. The crystal structure was tested by X-ray diffraction （XRD）， and the results show that the crystal structure is cubic. The absorption spectra， fluorescence spectra and fluorescence decay curves of Er∶CNGG crystals were measured at room temperature. The absorption coefficient of 5.0% Er∶CNGG crystal is 1.70 cm^-1 at 968 nm， with a full width at half maximum （FWHM） of 17.5 nm， which matches well with the commercial laser diode pumping sources. The strongest emission peak of 5.0% Er∶CNGG crystal is located at 2 709 nm with FWHM of 17.3 nm. The lifetime of ⁴I_13/2energy level of 0.3%， 2.0%， 3.0% and 5.0% Er∶CNGG crystals are 5.97， 6.30， 6.46 and 5.73 ms， respectively. The results show that Er∶CNGG crystal is a potential gain medium for laser at around 2.7 μm.

Key words: Er∶CNGG; micro-pulling-down method; crystal growth; spectral property; 2.7 μm; gain medium for laser

中图分类号:

O782

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图/表 9

图1 Er∶CNGG晶体照片

Fig.1 Photograph of as-grown Er∶CNGG crystals

图2 Er∶CNGG晶体及标准CNGG的XRD图谱

Fig.2 XRD patterns of Er∶CNGG crystals and standard pattern of CNGG

表1 CNGG和Er∶CNGG晶体的晶胞参数

Table 1 Lattice parameters of CNGG and Er∶CNGG crystals

Crystal	a=b=c/nm	V/nm³
CNGG	1.250 7	1.956 4
0.3% Er∶CNGG	1.250 4	1.954 9
2.0% Er∶CNGG	1.249 6	1.951 3
3.0% Er∶CNGG	1.248 0	1.943 9
5.0% Er∶CNGG	1.246 8	1.938 2

图3 Er∶CNGG晶体的吸收光谱

Fig.3 Absorption spectra of Er∶CNGG crystals

表2 Er∶CNGG晶体在 968 nm处的吸收系数与FWHM

Table 2 Absorption coefficient and FWHM at 968 nm of Er∶CNGG crystals

Doping concentration/%	Absorption coefficient at 968 nm/cm^-1	FWHM/nm
0.3	0.09	18.2
2.0	0.45	17.1
3.0	0.96	16.8
5.0	1.70	17.5

图4 Er∶CNGG晶体的荧光光谱

Fig.4 Fluorescence spectra of Er∶CNGG crystals

表3 Er∶CNGG晶体4I11/2→4I13/2跃迁对应的FWHM

Table 3 FWHM of 4I11/2→4I13/2 transition in Er∶CNGG crystals

Doping concentration/%	FWHM/nm	FWHM/nm	FWHM/nm
0.3	49.7 （2 652 nm）	20.5 （2 709 nm）	58.2 （2 795 nm）
2.0	54.9 （2 653 nm）	19.7 （2 709 nm）	67.3 （2 797 nm）
3.0	43.3 （2 651 nm）	17.6 （2 709 nm）	56.9 （2 797 nm）
5.0	42.1 （2 652 nm）	17.3 （2 709 nm）	54.2 （2 797 nm）

图5 Er∶CNGG晶体4I11/2（a）和4I13/2（b）能级的荧光衰减曲线

Fig.5 Fluorescence decay curves of 4I11/2 （a） and 4I13/2 （b） energy level of Er∶CNGG crystals

图6 Er3+能级图

Fig.6 Energy level diagram of Er3+

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