Pr,Er:LaF3 晶体的生长、光谱特性及其2.7 μm激光性能研究：突破中红外激光自终止效应新策略

　　为解决Er3+ 离子在3 μm激光中因4 I11/2 与4 I13/2 能级寿命差异导致的自终止效应，研究人员通过Pr3+ 共掺杂LaF3 晶体，首次实现2.7 μm连续激光输出（65 mW），Judd-Ofelt（J-O）计算显示Ω2 =1.70×10-20 cm2 ，证实Pr3+ 有效降低Er3+ 的4 I13/2 能级寿命至4.736 ms，为新型中红外激光增益介质开发提供重要参考。

　　

研究背景
3 μm中红外激光在医疗生物、国家安全等领域具有广泛应用，但Er³⁺
离子因⁴
I_11/2
（上能级）与⁴
I_13/2
（下能级）的荧光寿命差异，易产生自终止效应，限制激光效率。传统氧化物基质因高声子能量加剧非辐射跃迁，而低 phonon energy（约350 cm^-1
）的LaF₃
晶体可显著提升稀土离子发光性能。

研究机构与方法
上海某研究团队采用Bridgman法生长2 at.% Pr³⁺
/Er³⁺
共掺杂LaF₃
晶体，结合X射线衍射（XRD）、J-O理论计算及荧光光谱分析，系统研究其结构、光谱特性及Pr³⁺
对Er³⁺
的 deactivation 机制。

研究结果

1. 晶体结构表征：XRD证实晶体属三方晶系（P—3c1空间群），晶胞参数a=b=7.186 ?，c=7.349 ?，无杂相。
2. 光谱特性：J-O参数Ω₂
   =1.70×10^-20
   cm²
   ，⁴
   I_11/2
   →⁴
   I_13/2
   分支比β=16.82%，2751 nm处发射截面达6.38×10^-21
   cm²
   。
3. 能量转移机制：Pr³⁺
   的¹
   G₄
   与(³
   F₄
   ,³
   F₃
   )能级分别与Er³⁺
   的⁴
   I_11/2
   /⁴
   I_13/2
   匹配，通过ET将Er³⁺
   的⁴
   I_13/2
   寿命从22.60 ms降至4.736 ms。
4. 激光性能：首次实现2.7 μm连续激光输出（65 mW），验证晶体作为中红外增益介质的潜力。

结论与意义
该研究通过Pr³⁺
共掺杂策略，有效抑制Er³⁺
自终止效应，为开发高效中红外激光器提供新材料。LaF₃
晶体的低 phonon energy 特性与Pr³⁺
的 deactivation 作用协同提升激光效率，成果发表于《Journal of Luminescence》，对医疗激光器械与光谱技术发展具有重要推动作用。