Er:YSGG激光晶体的晶体结构和光谱性能

作者:苏静;李传起;陈玉林 刊名:功能材料 上传者:崔秀琴

【摘要】测量了30%(原子分数)Er∶YSGG晶体的晶胞参数:a=b=c=(1.24640±0.00065)nm,α=β=γ=90°。用Rietveld方法对X射线衍射谱进行了精修,给出了处于96h位置的O原子分数坐标(x,y,z)=(-0.031433±0.000780、0.058253±0.000792、0.155358±0.000776),并计算了氧配位多面体中的阴阳离子间距和夹角,结果表明Er3+/Y3+处于畸变十二面体的中心。另外还研究了该晶体在室温下的吸收光谱和荧光光谱的性质。在200~1700nm波段内,Er∶YSGG晶体吸收谱带主要为Er3+离子的特征吸收,计算了Er3+在966、790nm处的吸收截面;测量了966、790和488nm为激发波长时的室温发射光谱,当激发波长为966nm时发射谱带强度较大。另外,以1534nm为监测波长得到室温下的激发光谱,研究结果表明Er∶YSGG激光晶体适合于InGaAs二极管激光器的泵浦。

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1引言对于掺Er3+离子的激光晶体,由于Er3+的4I13/24I15/2跃迁产生的1.5~1.6m波段激光处于人眼安全波段,4I11/24I13/2跃迁产生的2.7~2.9m波段激光处于O-H强吸收区,因此在光学通讯及激光医疗中得到广泛应用。在掺Er3+离子的石榴石系列激光晶体中,ErYSGG晶体的激光性能优于ErYAG、ErGGG晶体,具有泵浦阈值低、转换效率高及输出功率高的优点[1]。ErYSGG晶体的上转换发光也引起人们的关注[2,3]。德国、美国和日本已经实现了ErYSGG晶体的批量化生产,ErYSGG激光器在精密外科手术中获得广泛应用,但是国内对该晶体的研究报道很少[4]。本文对ErYSGG晶体的结构和光谱性能进行了测量分析。2实验实验所用的掺Er3+浓度为30%(原子分数)的YSGG晶体样品由安徽光机所激光材料室提供。用德国Bruker公司的X射线CCD面探测衍射仪BrukerSMARTAPEX-CCD,测量了Er0.9Y2.1Sc2Ga3O12的晶胞参数,射线类型为MoK的0.071073nm射线,扫描方式为扫描,该实验在中国地质大学完成。用荷兰Philips公司的PhilipsX’pert-PRO多功能X射线仪测量ErYSGG的粉末衍射。X射线为CuK射线,2衍射角的测量范围为10~80,扫描步长为0.03。测量所得的衍射谱用PowderX软件去除背底后,所得的角度2强度双列衍射数据用GSAS-TOOLS软件转换为GSAS的标准数据。采用Ri-etveld方法,用GSAS软件精修ErYSGG晶体的结构。将质量优良的ErYSGG晶体定向后沿111方向切割,光学抛光后尺寸为30mm3.946mm。用PElambda900分光光度计测量其吸收光谱,用Flu-orolog-3光谱仪测量其荧光光谱。以上实验均在室温条件下进行。3结果与讨论3.1晶体结构Y3Sc2Ga3O12(YSGG)晶体为石榴石结构晶体,空间群为Ia3d。每个晶胞含8个化学式(Z=8),Y、Sc、Ga分别位于氧配位十二面体、八面体和四面体的中心,Y占据24c(1/8、0、1/4)位置,Sc占据16b(0、0、0)位置,Ga占据24d(3/8、0、1/4)位置,O占据一般位置96h(x,y,z)[5]。单晶X射线衍射测试表明ErYS-GG与YSGG(JCPDFNo.25-1246)具有相同的晶体结构,由于Er3+和Y3+的半径和电负性很接近,Er3+掺入基质后替代部分Y3+的格位。晶胞参数a=b=c=(1.246400.00065)nm,===90。计算得到晶体密度D=5.683g/cm3。图1为ErYSGG经Rietveld法结构精修后的X射线粉末衍射谱。图中的“”表示实验数据,与其叠加的实线表示计算数据,下方的曲线表示两者间差值。精修结果为:结构因子R(F2)=9.77%,峰形因子Rp=16.03%,权重因子Rwp=28.24%,O原子位置坐标(x,y,z)=(-0.0314330.000780,0.0582530.000792,0.1553580.000776)。在ErYSGG晶体中,O原子配位多面体结构如图2所示。Rietveld精修获得阴阳离子间距M-O,氧离子间距O…O及多面体中夹角见表1。可见以Er3+/Y3+为中心的O十二面体为畸变的十二面体。阳离子和氧配位离子的距离以十二面体中最大,为0.24512、0.23917nm;八面体中次之,为0.21048nm,四面体中最小,为0.18107nm。3.2吸收光谱根据Er3+在ErYSGG晶体中的能级和光谱分析[

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