掺钕钒酸钇单晶光谱与激光特性

掺钕钒酸钇单晶光谱与激光特性* 孟宪林　张怀金　祝　俐　吕孟凯 提要：测量了掺钕钒酸钇(Nd∶YVO4)单晶的吸收光谱、发射光谱和荧光寿命，进行了激光二极管(LD)泵浦激光实验。Nd∶YVO4激光器理想的泵浦光是波长808.6nm的π偏振光；Nd∶YVO4晶体主发射峰波长为1064.3nm；含Nd原子浓度为1.22%的Nd∶YVO4晶体荧光寿命为95μs；泵浦阈值功率为20mW，斜效率为56.39%。研究结论：Nd∶YVO4晶体是制作LD泵浦全固态激光器的理想材料。 关键词：Nd∶YVO4晶体，光谱，激光特性，激光晶体，引上法晶体生长 中图分类号：O782.5，TN244 Spectra and Laser Properties of Nd∶YVO4 Single Crystal Meng Xianlin　Zhang Huaijin　Zhu Li　Lu Mengkai (State Key Laboratory of Crystal Materials and Institute of Crystal Materials,Shandong University,Jinan 250100,China) Wang Changqing　　Y.T.Chow (Department of Electronic Engineering,City University of Hong Kong,Tat Chee Avenue,Kowloon,Hong Kong) Wang Pu　　Judith Dawes (Center for Lasers and Applications,Macquarie University,NSW2109,Australia) 　　Abstract　The absorption spectra,emission spectra and fluorescence lifetimes of Nd∶YVO4 single crystals were measured.The laser experiments of Nd∶YVO4 crystal samples pumped by laser diode (LD) were demonstrated.π polarization light with wavelength of 808.6nm is the best pumping light for Nd∶YVO4 lasers.The wavelength at main emission peak of Nd∶YVO4 crystal is 1064.3nm.The fluorescence lifetime of 1.22 at% Nd doped YVO4 crystal is 95μs.The pumping threshold power is about 20 mW and the slope efficiency is 56.39%.From the investigation we can draw a conclusion:Nd∶YVO4 crystal is an ideal material for all solid state lasers pumped by LD. 　　Key words： Nd：YVO4 crystal,spectrum,laser property,laser crystal,crystal pulling. 1　引　　言 　　微型全固态激光器在军事、科技、通讯和印刷等领域有重要应用，是激光器件研究的热点之一。随着激光二极管(LD)研究取得重大进展，微型固态激光器的泵浦源问题逐渐得到解决，人们对具有低泵浦阈值、高转换效率激光工作物质的呼声日渐增高。掺钕钒酸钇(Nd∶YVO4)单晶已被证明是用于制作微型激光器最优秀的激光基质材料之一。该晶体虽然早在本世纪60年代末就曾受到学术界的高度评价［1，2］，但由于其生长难度大，直到90年代之前，一直未能得到应有的发展。1992年以来，在科技进步和市场需要的巨大推动下，Nd∶YVO4 单晶生长研究取得了重大进展。现在该晶体及其激光器件均已商品化。 　　1993年以来，我们对Nd∶YVO4单晶的生长和性能进行了系统研究，于1995年开始出口Nd∶YVO4晶片。本文介绍我们生长的晶体的激光与光谱特性及激光器件实验的主要结果。 2　实验与结果 2.1　样品制备 　　本工作的目的在于客观地检测和评估我们生长的Nd∶YVO4晶体的激光性能，因此所有样品均取自本单位生长的晶体。试样选取是任意的，没有特定目标。测试结果具有普遍性，应反映该晶体的平均水平。 　　用于测定吸收光谱的样品尺寸为3mm×3mm×1mm，晶体中Nd浓度的原子数分数x(Nd)=1%，大面为a面、抛光。 　　用于测试荧光谱的样品尺寸为3mm×3mm×1.2mm，晶体中Nd浓度的原子数分数x(Nd)=1%，大面为a面、抛光。 　　用于测定荧光寿命的样品，因其值与Nd浓度关系密切，故选取试样时，均取自用不同Nd浓度原料生长的第一块晶体。根据我们测定的有效分凝系数［3］，可由熔体中Nd浓度较准确地计算出晶体中的Nd浓度。熔体中的Nd浓度原子数分数分别为x(Nd)=1%,2%和3%(晶体中的原子数分数分别为x(Nd)=0.64%,1.22%和1.89%)，样品的尺寸分别为2.9mm×6.2mm×14.4mm, 4.0mm×7.9mm×13.3mm和4.4mm×6.1mm×12.3mm,样品长为Z方向，宽和高分别为X和Y方向。 　　用于原型激光器件实验的样品共7个，取自同一块Nd浓度的原子数分数x(Nd)=1%的晶体。为检验退火处理对晶体激光性能的影响，将该晶体等分为两半，一半经1160℃退火，另一半不退火以作比较。在退火部分切取的样品中任意选取3块，在未退火部分切取的样品中任意选取4块，其尺寸均为3mm×3mm×1mm，两大面为a面，经严格抛光、定向，然后一面镀对1064nm的增透膜，另一面镀对1064nm高反射但对808nm的增透膜。 2.2　吸收光谱 　　晶体的吸收光谱是确定泵浦光波长和偏振方式的根据。用HITACHI-340型记录式分光光度计测量了晶体的偏振吸收光谱，主要结果示于图1。由图1可知，晶体对π偏振光的吸收大于对σ偏振光的吸收，故用π偏振光泵浦晶体是最理想的。图中虽然显示出3个重要的吸收带，但对LD泵浦而言，有实际意义的是峰值波长为808.6nm的吸收峰。经测量计算，此峰处对π偏振光的吸收系数为30.6cm-1，对σ偏振光的吸收系数为11.4cm-1。 2.3　发射光谱 　　在香港城市大学电子工程系进行了Nd∶YVO4 晶体室温下发射谱测量，结果示于图2。由图可以看到，在850～1400nm波长范围内有3组发射峰。测得的主发射峰波长为1064.3nm。

Fig.1　The polarization absorption spectra of Nd∶YVO4 single crystal

Fig.2　The emission spectra of Nd∶YVO4 single crystal 2.4　荧光寿命 　　在澳大利亚Macquarie大学激光与应用中心测定了不同掺杂浓度Nd∶YVO4晶体的荧光寿命，主要结果示于表1。由表1可知，Nd∶YVO4晶体的荧光寿命随其掺Nd量的增加而降低。这表明，该晶体有浓度猝灭效应，设计激光器件时，应予以考虑。 Table 1　The fluorescence lifetimes of Nd∶YVO4 single crystals

Sample	Nd concentration in melt (at%)	Nd concentration in crystal(at%)	Fluorescence lifetime(μs)
No.1	1.0	0.64	105
No.2	2.0	1.22	95
No.3	3.0	1.89	85

2.5　晶体用于LD泵浦激光器的实验 　　全部7个样品的激光实验均在香港城市大学电子工程系进行，实验条件完全相同。泵浦源为SKL-2342-P1型激光二极管，其发射线度为370μm×1μm，两个方向的发散角分别为12°和34°，最大连续输出功率为3W。实验中，泵浦波长调谐在808.6nm。激光腔采用平凹腔。输出镜对1064nm的透过率为5.1%，其曲率半径为20mm。 　　7个样品中，No.1～4未经退火处理；No.5～7经1160℃恒温10h，然后缓慢降到室温的退火处理。测量了样品的泵浦阈值，结果示于表2。 Table 2　The pumping thresholds of Nd∶YVO4 single crystals

Sample	No.1	No.2	No.3	No.4	No.5	No.6	No.7
Threshold (mW)	21	20	26	19	21	20	21

未退火样品平均泵浦阈值为21.5mW。No.3样品阈值高出平均值21%，而No.4样品则低于平均值12%。退火样品平均泵浦阈值为20.7mW，样品阈值对平均值的最大偏差小于3.4%。上述数据表明，退火处理能够提高晶体组分或结构上的均匀性。 　　测量了Nd∶YVO4原型激光器的基频输出特性，输出红外光的波长为1064.3nm，主要结果示于表3。 Table 3　The main power data of Nd∶YVO4 lasers

Pump power (mW)	Output power (mW)
	No.1	No.2	No.3	No.4	No.5	No.6	No.7
274	95	92	94	88	95	105	89
630	234	233	249	239	240	249	234
980	393	401	433	417	419	430	405
1320	557	573	611	585	616	631	603
1660	710	731	759	749	782	808	769
1840	784	813	833	817	905	921	848

根据表3数据作出的未退火样品和退火样品输入、输出功率关系示于图3和图4。

Fig.3　Output powers of unannealed Nd∶YVO4 crystals as functions of pump powers

Fig.4　Output powers of annealed Nd∶YVO4 crystals as functions of pump powers 　　对表3全部数据进行拟合，求得各样品激光器件的斜率示于表4。 Table 4　The slope efficiencies of Nd∶YVO4 lasers

Sample	No.1	No.2	No.3	No.4	No.5	No.6	No.7
Slope efficiency (%)	44.74	46.79	48.08	47.52	51.97	52.76	49.72

由表4可知，退火样品器件中斜效率最低值还高于未退火样品器件中的最高值。这有力地说明了晶体经退火处理对提高其激光器件的斜效率有显著作用。 　　若取泵浦功率在1W以上的4组数据进行拟合，算出各样品的斜效率如表5所示。表5说明，与未退火晶体相比，经过退火处理的样品，其激光器件在较高泵浦功率下显示出更高的斜效率。这意味着，样品退火对激光器件斜效率的提高和使用功率的扩展都能起到积极作用。 Table 5　The slope efficiencies of Nd∶YVO4 lasers when pump powers are higher than 1W

Sample	No.1	No.2	No.3	No.4	No.5	No.6	No.7
Slope efficiency (%)	45.56	47.84	46.39	46.98	55.34	56.39	51.59

3　讨　　论 　　实验结果表明，对Nd∶YVO4晶体进行适当的退火处理能有效提高其激光器件的斜效率。我们从理论上对这一现象作一简要分析。激光器件的斜效率可用下式表示。 ηs=(T/Lc)(νL/νp)ηp 其中T为输出镜的透过率，Lc为腔内全部的被动损耗，νL和νp分别是振荡光和泵浦光的频率，ηp是泵浦效率。考虑到我们实验条件下，T，Lc,νL和νp均为常数，导致ηs提高的原因显然是ηp的提高。这就是说，晶体退火可以提高其器件的泵浦效率。由于各样品实验用的是同一个LD，系统内其他条件完全一样，因此ηp的提高只能是工作物质内部得到改善的结果。 　　Nd∶YVO4晶体是用强制性极大的Czochralski法生长的，生长环境的温度梯度很大，晶体内存在较大热应力是不可避免的。另外，Nd的有效分凝系数为0.63左右，偏离1较大，故整个晶体中，Nd的分布是逐渐变化的，即其浓度是不均匀的。可以设想，晶体退火后，热应力得到释放，氧缺陷得到一定消除，泵浦光在晶体内的损耗可能降低，从而使其泵浦效率得到提高。 　　上面列出的泵浦功率数据并未扣除晶体样品两表面对泵浦光的反射和泵浦光穿过晶体未被吸收的损失部分。若将上述两因素考虑进去，激光器件的转换效率还将更高。 　　文献［4］所述的实验装置、样品厚度、掺Nd浓度、镀膜情况、腔体构造与我们的十分相近。该文报道的实验结果是：泵浦阈值54mW，斜效率41%。与之相比，我们的工作有明显进步。 4　结　　论 　　(1)Nd∶YVO4晶体具有泵浦阈值低，转换效率高的优点，是全固态激光器的理想工作物质，在我们的实验条件下，泵浦功率仅为20mW左右，斜效率可高达56.39%。 　　(2)对Nd∶YVO4晶体进行适当退火处理，有助于提高激光器的转换效率和扩大使用功率。 　　(3)Nd∶YVO4晶体有一定的浓度猝灭效应。 　　致谢：山东大学晶体所杨兆荷、程瑞平和刘训民三位高级工程师在晶体吸收光谱测量、样品加工和镀膜工作中给予大力支持，在此一并致谢。 * 山东省自然科学基金资助项目。 作者单位：孟宪林　张怀金　祝　俐　吕孟凯 (山东大学晶体材料国家重点实验室，晶体材料研究所，济南 250100) 参考文献 　　1　O'Conner J R.Unusual Crystal-field Energy Level and Efficient Laser Properties of YVO4∶Nd.Appl.Phys.Lett.,1966,9(11):407 　　2　Yaney P P and Deshazer L G.Spectroscopic Studies and Analysis of the Laser State of Nd3+in YVO4. J.Opt.Soc.Am.,1976,66(12):1405 　　3　孟宪林，祝俐，张怀金，吕孟凯.掺钕钒酸钇单晶生长研究.人工晶体学报，1999，28(1)：23 　　4　何慧娟等.高效Nd∶YVO4激光器的特性研究.中国激光，1994，21(8)：621 本文1998年9月10日收到，1998年10月25日收到修改稿。