抗光損傷元素與鉺雙摻鈮酸鋰晶體的缺陷結(jié)構(gòu)及發(fā)射性能.pdf

1、本研究采用提拉法生長出無宏觀缺陷、光學(xué)均勻性較好的雙摻Mg/Er-LiNbO3、雙摻In/Er-LiNbO3及雙摻Sc/Er-LiNbO3三個(gè)系列晶體材料。通過紅外吸收光譜、紅外光譜的差分譜與Lorentz三峰分解譜、紫外吸收譜、X射線衍射譜，揭示了抗光損傷摻雜劑Mg、In和Sc等摻雜濃度的變化對晶體缺陷結(jié)構(gòu)的影響。
　　研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)Mg2+、In3+摻雜濃度低于各自的閾值濃度時(shí)，Er3+的近紅外1.54μm波段的發(fā)射性能降低，而

2、綠光上轉(zhuǎn)換發(fā)射性能提高；當(dāng)Mg2+、In3+摻雜濃度達(dá)到或高于各自的閾值濃度時(shí)，Er3+的近紅外1.54μm波段的發(fā)射性能驟然提高。摻雜8mol％Mg2+的晶體中Er3+的4I13/2能級壽命為2.57ms，比未摻雜Mg2+的提高了11.7%、摻雜3mol%In3+的為2.62ms，比未摻雜In3+的提高了13.9%；而綠光上轉(zhuǎn)換發(fā)射性能明顯降低，摻雜8mol%Mg2+的晶體中Er3+離子的4S3/2能級壽命為3.3μs，比未摻雜Mg2

3、+的降低了82.2%、摻雜3mol%In3+的為7.8μs，比未摻雜In3+的降低了57.4%。但Sc3+摻雜降低了1.54μm波段的發(fā)射性能，而略微提高了綠光上轉(zhuǎn)發(fā)射性能。結(jié)合缺陷結(jié)構(gòu)與能級結(jié)構(gòu)分析了發(fā)射機(jī)制，Er3+團(tuán)位束濃度的變化是導(dǎo)致上述兩個(gè)發(fā)射波段發(fā)射性能變化的直接原因。能量傳遞與激發(fā)態(tài)吸收共同構(gòu)成了電子能級躍遷的通道，兩者所占比重的變化導(dǎo)致了近紅外與綠光上轉(zhuǎn)換發(fā)射性能此低彼高的現(xiàn)象。
　　吸收光譜顯示：抗光損傷離子摻雜

4、導(dǎo)致Er3+的11個(gè)吸收峰的強(qiáng)度與截面積明顯改變、某些吸收峰的峰位發(fā)生紅移、某些位置出現(xiàn)新的吸收峰出現(xiàn)與某些原有吸收峰消失等豐富的吸收光譜特性。結(jié)合J-O理論，計(jì)算了Er3+的理論發(fā)射性能，理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。
　　晶體的抗光損傷能力隨著抗光損傷離子摻雜濃度的提高而提高，抗光損傷元素與鉺雙摻鈮酸鋰晶體的抗光損傷能力比單摻鉺鈮酸鋰晶體的提高了至少兩個(gè)數(shù)量級。
　　根據(jù)測試的結(jié)果可知，當(dāng)Mg2+、In3+摻雜濃度低于

5、各自的閾值濃度時(shí)，Er3+大部分占據(jù)Li位而小部分占據(jù)Nb位形成孤位Er3+缺陷中心與Er3+團(tuán)位束缺陷中心(ErLi2+-ErNb2-)；當(dāng)Mg2+、In3+摻雜濃度達(dá)到或超過各自的閾值濃度時(shí)，Er3+團(tuán)位束缺陷中心的濃度急劇降低或消失。
　　綜上所述，高摻Mg2+、In3+的雙摻Mg/Er-LiNbO3晶體和雙摻In/Er-LiNbO3晶體均具有優(yōu)良的近紅外波段的發(fā)射性能、弱的綠光上轉(zhuǎn)換發(fā)射性能、強(qiáng)的抗光損傷能力，是優(yōu)良的波導(dǎo)