● 稀土離子在中紅外（MIR）激光器的研發(fā)中被廣泛用作增益介質(zhì)。

● 利用配備 FLS1000 光譜儀和雙模中紅外探測器的穩(wěn)態(tài)及時間分辨光致發(fā)光光譜技術(shù)，對這些晶體的光學特性進行了研究 。

中紅外（MIR）激光器因應用廣泛，受到科研和工業(yè)領(lǐng)域的關(guān)注。由于在特定光譜窗口具有強大氣透射性，它們對分子光譜學、國防、醫(yī)學診斷和光通信系統(tǒng)而言至關(guān)重要。此外，得益于緊湊的尺寸，中紅外激光器可集成到便攜式分析儀器和可現(xiàn)場部署的傳感器中。

為實現(xiàn)高效發(fā)射，中紅外激光增益介質(zhì)可摻雜稀土離子，如鈥（Ho³⁺）、鉺（Er³⁺）、銩（Tm³⁺）和鏑（Dy³⁺ ）。Dy³⁺已被公認為在中紅外激光器中具有高潛力的活性離子。搭配合適的基質(zhì)材料，Dy³⁺能實現(xiàn) 2.4 μm至 6.2 μm的高效激光發(fā)射。多個研究團隊近期開展的一項研究，利用愛丁堡儀器公司的 FLS1000 光致發(fā)光光譜儀，對摻雜不同濃度 Dy³⁺ 的CaF₂ - SrF₂晶體的光學性質(zhì)進行了研究。其研究成果發(fā)表在《Crystals》期刊上。

圖 1. 愛丁堡儀器公司 FLS1000 光致發(fā)光光譜儀

圖 2：a) 5 at.%、b) 10 at.%、c) 15 at.%的Dy：CaF₂ - SrF₂晶體。

選取基質(zhì)晶體CaF₂ - SrF₂，因其聲子能量低，可阻止電子被激發(fā)至中間能級。因此，非輻射衰變就不太容易發(fā)生，進而提升晶體效率。

穩(wěn)態(tài)測量采用了兩種激發(fā)波長：1320 nm 和 808 nm 。在 1320 nm 激發(fā)的情況下（圖3a），隨著Dy³⁺摻雜濃度變化，1970 nm 附近的光致發(fā)光（PL）強度變化明顯。1970 nm 處的發(fā)射峰對應從⁶H_9/2+⁶F_11/2到⁶H_15/2的能級躍遷，且在Dy³⁺摻雜濃度最低（5 at.%）時，觀測到最大 PL 強度。對此的一種可能解釋是，在 5 at.%摻雜時，Dy³⁺離子相對孤立，使諸如離子間能量轉(zhuǎn)移等猝滅效應降至最低，從而使 PL 強度達到最大。研究還發(fā)現(xiàn)，2900 nm 處的發(fā)射帶不受摻雜濃度變化的影響。

用不同激發(fā)波長（808 nm）泵浦晶體時，2900 nm 附近的光致發(fā)光（PL）強度出現(xiàn)變化，且這種變化取決于Dy³⁺摻雜濃度（圖 3b ）。在 15 at.%摻雜時觀測到最高 PL 強度，這表明在 808 nm 激發(fā)泵浦下，間隙氟離子的猝滅效率存在差異。

圖 3：不同激發(fā)波長下Dy：CaF₂ - SrF₂晶體的發(fā)射光譜：a) 1320 nm 、b) 808 nm 。

圖 4：不同Dy³⁺摻雜濃度下Dy：CaF₂ - SrF₂晶體的光致發(fā)光（PL）壽命衰減：a) 5 at.%，743.6 μs；b) 10 at.%，339.2 μs；c) 15 at.%，194.7 μs。

1. Zheng, L.; Zhao, J.; Wang, Y.; Chen, W.; Ruan, F.; Lin, H.; Xue, Y.; Liu, J.; Liu, Y.; Yang, R.; et al. Mid-IR Optical Property of Dy:CaF2-SrF2 Crystal Fabricated by Multicrucible Temperature Gradient Technology. Crystals 2021, 11, 907. https://doi.org/10.3390/cryst11080907