Ho:BaF2晶体在近红外-中红外波段光谱性能分析OA
Spectroscopic Analysis of Ho:BaF2 Crystals in the NIR to MIR Spectral Region
1~3 μm 红外激光在医疗、环境监测和高功率激光系统中具有重要应用价值,其中 Ho3+离子因其覆盖近红外至中红外多个发射通道而受到广泛关注.本工作系统研究了 Ho:BaF2 晶体的结构与光谱特性,并筛选不同发射波段的最佳掺杂浓度,以实现高效多波段激光输出.采用温度梯度法(Temperature gradient technique,TGT)成功生长出原子比 0.5%~3.0%Ho:BaF2 单晶.通过一系列表征手段进行结构和组分分析,并利用吸收光谱、荧光光谱和寿命测试表征其光谱性能.同时结合 Judd-Ofelt 理论计算辐射跃迁参数.所有晶体均呈现立方晶系,理论掺杂浓度和实际掺杂浓度接近 1 且分布均匀.光谱分析表明,~1.2 μm(5I6→5I8)和~2.05 μm(5I7→5I8)的最优掺杂浓度为原子比 2.0%(光谱品质因子 Q 分别为 24.29×10-21 和 67.53×10-21 cm2·ms),而~2.85 μm(5I6→5I7)的最优掺杂浓度为原子比 1.0%(Q=44.52×10-21 cm2·ms).其中,BaF2 基质声子能量低(~346 cm-1)及抗 Ho3+离子团簇形成倾向较弱的特性使其在~2.05 μm 处获得了 3.81×10-21 cm2 的最大发射截面,性能优于 YAG、CaF2 等传统基质.相较于氧化物基质,BaF2晶体具有更低的无辐射损耗和更强的抗浓度猝灭能力,有助于实现更高有效掺杂浓度与稳定的多波段激光输出.Ho:BaF2 晶体展现出作为高效多波段红外激光增益介质的巨大潜力.
Infrared lasers in the 1-3 μm region are increasingly important for applications in medical treatment,atmospheric monitoring,and high-power laser systems.Holmium ions(Ho3+)are particularly attractive because of their multiple emission channels covering near to mid infrared ranges.This work aims to systematically evaluate the structural and spectroscopic properties of Ho:BaF2 crystals and determine the optimal doping concentrations for efficient multi-band laser operation.High-quality Ho:BaF2 single crystals with concentrations of 0.5%-3.0%(in atom)were grown using the temperature gradient technique(TGT).Structural characterization was performed,while spectroscopic properties were analyzed via absorption,fluorescence,and lifetime measurements.Judd-Ofelt analysis was further applied to calculate radiative parameters.All samples exhibited cubic structures,with doping segregation ratios close to unity and uniform Ho3+distribution.Spectroscopic evaluation revealed optimal doping concentrations of 2.0%(in atom)for~1.2 μm(5I6→5I8,spectral quality factor Q=24.29×10-21 cm2·ms)and~2.05 μm(5I7→5I8,Q=67.53×10-21 cm2·ms),and 1.0%(in atom)for~2.85 μm(5I6→5I7,Q=44.52×10-21 cm2·ms).BaF2 host,with its low phonon energy(~346 cm-1)and anti-clustering characteristics,enabled enhanced emission performance,including a maximum emission cross-section of 3.81×10-21 cm2 at~2.05 μm.These results outperform traditional hosts such as YAG and CaF2.Compared to oxide hosts,BaF2 offers superior lifetime,reduced non-radiative losses,and greater resistance to concentration quenching.The findings indicate that Ho:BaF2 supports higher effective doping levels,making it particularly promising for high-power and ultrafast laser applications.Ho:BaF2 crystals demonstrate excellent potential as efficient,multi-wavelength infrared laser gain media.
钱新宇;董永军;华伟;徐军;王无敌;郭俊尧;任永春;董建树;王庆国;唐慧丽;张晨波;徐晓东
同济大学 高等研究院,物理科学与工程学院,先进微结构材料教育部重点实验室,上海 200092上海芯飞睿科技有限公司,上海 300444宁波镭晶科技有限公司,宁波 315500同济大学 高等研究院,物理科学与工程学院,先进微结构材料教育部重点实验室,上海 200092同济大学 高等研究院,物理科学与工程学院,先进微结构材料教育部重点实验室,上海 200092同济大学 高等研究院,物理科学与工程学院,先进微结构材料教育部重点实验室,上海 200092同济大学 高等研究院,物理科学与工程学院,先进微结构材料教育部重点实验室,上海 200092同济大学 高等研究院,物理科学与工程学院,先进微结构材料教育部重点实验室,上海 200092同济大学 高等研究院,物理科学与工程学院,先进微结构材料教育部重点实验室,上海 200092同济大学 高等研究院,物理科学与工程学院,先进微结构材料教育部重点实验室,上海 200092同济大学 高等研究院,物理科学与工程学院,先进微结构材料教育部重点实验室,上海 200092江苏师范大学 物理与电子工程学院,江苏省先进激光材料与器件重点实验室,徐州 221116
化学化工
氟化钡晶体Ho3+离子掺杂中红外激光光谱性能
BaF2 crystalHo3+dopingmid-infrared laserspectroscopic characteristic
《无机材料学报》 2026 (5)
595-603,9
国家重点研发计划(2022YFB3605701,2023YFB3507401)国家自然科学基金(62275198,52032009)National Key R&D Program of China(2022YFB3605701,2023YFB3507401)National Natural Science Foundation of China(62275198,52032009)
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