Yb3+∶Ca3Li0.275Nb1.775Ga2.95O12晶体的生长、光谱特性及飞秒激光性能研究

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0158

人工晶体学报 ›› 2025, Vol. 54 ›› Issue (10): 1836-1843.DOI: 10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0158

Yb³⁺∶Ca₃Li_0.275Nb_1.775Ga_2.95O₁₂晶体的生长、光谱特性及飞秒激光性能研究

李谞泓(), 朱昭捷, 黄一枝, 涂朝阳, 王燕()

中国科学院福建物质结构研究所，功能晶体与器件全国重点实验室，福州 350108

收稿日期:2025-07-24 出版日期:2025-10-20 发布日期:2025-11-11
通信作者: 王燕，博士，研究员。E-mail：wy@fjirsm.ac.cn
作者简介:李谞泓（2000—），女，福建省人，硕士研究生。E-mail：lixuhong@fjirsm.ac.cn
王　燕，博士，中国科学院福建物质结构研究所研究员、博士生导师。《人工晶体学报》编委。主要从事大尺寸光功能晶体材料的生长和性能研究。近年来，作为负责人主持完成两项国家自然科学基金面上项目和四项福建省科技计划重点项目，作为研究骨干承担科技部重点研发计划项目和国家自然科学基金重点项目等任务。获得福建省自然科学二等奖（排名第三）。近五年发表论文61篇，申请10项专利，获得6项国内发明授权专利，参与撰写4部专章。担任中国稀土学会稀土晶体分会和中国晶体学会晶体应用与产业分会委员等。
基金资助:
新材料2030专项(2024ZD0606000);科技部国家重点研发计划项目(2022YFB3605704);福建省科技计划引导性项目(2022H0043);福建省科技计划引导性项目(2024H0033);国家自然科学基金(51832007);国家自然科学基金(51872286);国家自然科学基金(U21A20508)

Growth, Spectroscopic Properties, and Femtosecond Laser Performance of Yb³⁺∶Ca₃Li_0.275Nb_1.775Ga_2.95O₁₂ Crystals

LI Xuhong(), ZHU Zhaojie, HUANG Yizhi, TU Chaoyang, WANG Yan()

State Key Laboratory of Functional Crystals and Devices，Fujian Institute of Research on the Structure of Matter，Chinese Academy of Sciences，Fuzhou 350108，China

Received:2025-07-24 Online:2025-10-20 Published:2025-11-11

摘要/Abstract

摘要： 采用提拉法成功生长了一系列不同掺杂浓度的Yb³⁺∶Ca₃Li_0.275Nb_1.775Ga_2.95O₁₂（Yb³⁺∶CLNGG）激光晶体，并对其结构、光谱和激光性能进行了系统研究。X射线衍射结果表明，晶体衍射峰与标准卡特征峰一致，未发现杂相生成。吸收光谱和发射光谱分析显示，Yb³⁺∶CLNGG晶体在近红外区具有宽吸收带和发射带，10%Yb³⁺∶CLNGG吸收半峰全宽可达37 nm，发射带宽达40 nm，5%Yb³⁺∶CLNGG发射截面最大可达1.398×10^-20 cm²，荧光寿命随掺杂浓度升高而增长，10%Yb³⁺∶CLNGG晶体在室温下寿命超过1 ms。低温发射光谱中观察到多个Stark分裂峰，反映出Yb³⁺所处晶体场的非等效多中心环境，表明其发光行为具有明显的协同特征。在Kerr锁模条件下，10%Yb³⁺∶CLNGG晶体实现了中心波长为1 058 nm、脉宽为67 fs、带宽为17.7 nm、平均功率35 mW、峰值功率约6.87 kW的稳定飞秒激光输出，展现出良好的锁模稳定性和宽带增益特性。综合光谱与激光实验结果表明，Yb³⁺∶CLNGG晶体在超快激光和宽带调谐激光器领域具有显著应用潜力。

关键词: Yb³⁺∶CLNGG晶体; 提拉法; 光谱性能; 飞秒激光; 激光增益介质

Abstract: Yb³⁺∶Ca₃Li_0.275Nb_1.775Ga_2.95O₁₂ （Yb³⁺∶CLNGG） laser crystals with various doping concentrations were successfully grown using the Czochralski method， and their structural， spectroscopic， and laser properties were systematically investigated. X-ray diffraction results indicate that the diffraction peaks of all samples matched well with the standard garnet pattern， with no secondary phases observed. Spectral analysis confirmed that Yb³⁺∶CLNGG crystals exhibit broadband transitions in the near-infrared region. Specifically， the 10%Yb³⁺∶CLNGG crystal shows a full width at half maximum （FWHM） of 37 nm for absorption and 40 nm for emission， and 5%Yb³⁺∶CLNGG crystal shows a maximum emission cross-section of 1.398×10^-20 cm². Low-temperature emission spectra exhibits multiple Stark-split peaks， indicating that the Yb³⁺ occupy non-equivalent and structurally disordere local environments， with their luminescence behavior characterized by cooperative interactions. The fluorescence lifetime increase with Yb³⁺ concentration， exceeding 1 ms at room temperature for the 10% doped crystal. The 10%Yb³⁺∶CLNGG crystal enabled a stable femtosecond laser output with a central wavelength of 1 058 nm， pulse duration of 67 fs， spectral bandwidth of 17.7 nm， average power of 35 mW， and a peak power of approximately 6.87 kW. These results demonstrate excellent mode-locking stability and broadband gain characteristics. Overall， the spectroscopic and laser performance data highlight the great potential of Yb³⁺∶CLNGG crystals as promising gain media for ultrafast and tunable broadband lasers.

Key words: Yb³⁺∶CLNGG crystal; Czochralski method; spectroscopic property; femtosecond laser; laser gain medium

中图分类号:

O782

李谞泓, 朱昭捷, 黄一枝, 涂朝阳, 王燕. Yb³⁺∶Ca₃Li_0.275Nb_1.775Ga_2.95O₁₂晶体的生长、光谱特性及飞秒激光性能研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(10): 1836-1843.

LI Xuhong, ZHU Zhaojie, HUANG Yizhi, TU Chaoyang, WANG Yan. Growth, Spectroscopic Properties, and Femtosecond Laser Performance of Yb³⁺∶Ca₃Li_0.275Nb_1.775Ga_2.95O₁₂ Crystals[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2025, 54(10): 1836-1843.

图/表 8

图1 Yb∶CLNGG晶体照片

Fig.1 Photographs of as-grown Yb∶CLNGG crystals

图2 Yb 3+ ∶CLNGG激光实验装置图

Fig.2 Experimental layout of the Yb3+∶CLNGG laser

图3 所生长晶体的XRD图谱

Fig.3 XRD patterns of the as-grown crystals

图4 Yb 3+ ∶CLNGG晶体的吸收光谱

Fig.4 Absorption spectra of Yb3+∶CLNGG crystals

图5 Yb 3+ ∶CLNGG晶体的室温近红外发射谱（a）和发射截面图（b）

Fig.5 NIR emission spectra （a） at room temperature and emission cross-sections （b） of Yb3+∶CLNGG crystals

图6 Yb 3+ ∶CLNGG晶体在77 K低温下的发射图谱

Fig.6 Emission spectra of Yb3+∶CLNGG crystals at low temperature of 77 K

图7 Yb 3+ ∶CLNGG晶体的荧光衰减曲线

Fig.7 Fluorescence decay curves of Yb3+∶CLNGG crystals

图8 10%Yb 3+ ∶CLNGG晶体及其飞秒激光性能。（a）不同β值下的增益光谱；（b）锁模激光输出光谱，中心波长1 058 nm；（c）自相关曲线拟合脉宽为67 fs；（d）激光输出功率稳定性测试

Fig.8 Femtosecond laser performance of the 10%Yb 3+ ∶CLNGG crystal. （a） Gain spectra under different β values；（b） mode-locked laser output spectrum with a central wavelength of 1 058 nm；（c） autocorrelation trace fitted to a pulse duration of 67 fs；（d） output power stability measurement of the mode-locked laser

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Yb³⁺∶Ca₃Li_0.275Nb_1.775Ga_2.95O₁₂晶体的生长、光谱特性及飞秒激光性能研究

Growth, Spectroscopic Properties, and Femtosecond Laser Performance of Yb³⁺∶Ca₃Li_0.275Nb_1.775Ga_2.95O₁₂ Crystals

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