科学岛团队在梯度浓度Nd:YAG和Nd:GdYAG晶体制备及激光性能研究方面取得新进展

近日，中国科学院合肥物质院安光所张庆礼研究员课题组与健康所江海河研究员课题组在梯度浓度激光晶体生长及激光性能研究方面进一步深入合作，采用类泡生方法生长了不同梯度浓度的Nd:YAG和Nd:GdYAG激光晶体，Nd:GdYAG的激光性能优于近似梯度浓度Nd:YAG晶体，相关研究成果以《渐变浓度掺钕钇铝石榴石系列晶体的生长与激光性能》为题发表在国际知名光学TOP期刊Optics and Laser Technology上。

激光晶体中激活离子的发光性能一般受到基质晶体中配位体和晶体场等因素影响，钆离子(Gd 3+)的能级结构相对简单，与钕离子(Nd 3+)的 4F 3/2、 4I 15/2、 4I 13/2、 4I 11/2等能级无重叠，不会产生能级的交叉弛豫和吸收，可实现晶体的发光性能的调控。研究团队在梯度浓度的Nd:YAG晶体中掺入Gd 3+，优化发光性能，并采用泡生法生长了不同梯度浓度的Nd:YAG和Nd :GdYAG激光晶体。经激光剥蚀电感耦合等离子体质谱法测定，等径部分Nd :YAG晶体的浓度为0.17~0.38 at%和0.95~2.86 at%，Nd :GdYAG为0.18~0.32 at%。沿晶体生长方向不同位置，808nm的吸收系数呈增大趋势，进一步表明晶体中Nd 3+浓度具有梯度分布。从三支晶体的等径部分取出Ф 3 × 40 mm的激光棒，进行滚圆和端面加工，设计和加工了热沉，采用端面泵浦方式，低浓度端为入射端，平平腔结构，进行了激光性能测试。0.17~0.38 at% Nd:YAG和 0.18~0.32 at% Nd:GdYAG的激光斜效率分别为52.8%和55.0%，最高输出功率分别为7.76W和8.13W；由于整体浓度偏高，存在浓度猝灭效应，0.95~2.86 at% Nd:YAG的激光斜效率为47.4%，最高输出功率6.82W。当高浓度端为入射端时，激光性能明显下降。

实验结果表明，梯度浓度晶体可有效提高激光输出效率，并且梯度浓度Nd:GdYAG的激光性能优于近似梯度浓度Nd:YAG晶体，梯度浓度激光晶体有望为高效激光技术提供新型晶体料基础。

晶体等径部分的浓度分布

生长的晶体毛坯

生长方向不同位置处的吸收光谱

三种晶体棒激光输出功率随泵浦功率的变化