激光加热基座法生长的Er:YScO3 混晶光纤：面向2.7 μm激光应用的增益介质新突破

　　为解决2.7 μm中红外激光因Er3+ 能级寿命失配导致的自饱和问题，研究人员采用激光加热基座生长技术（LHPG）首次制备了不同掺杂浓度（1-7 at.%）的Er:YScO3 混晶光纤。通过光谱表征获得2.05×10?21 cm2 （983 nm）吸收截面和0.53×10?20 cm2 （2729 nm）发射截面，证实其作为高效增益介质的潜力，为医疗手术、激光雷达等应用提供新方案。

　　

在医疗手术、环境监测等领域，2.7 μm波段中红外激光因其组织吸收特性和大气穿透能力成为研究热点。然而，Er³⁺
离子⁴
I_11/2
→⁴
I_13/2
跃迁中，下能级较长寿命导致的"自饱和效应"长期制约激光效率。传统解决方案依赖高浓度掺杂，但常规晶体生长技术面临2200°C超高熔点的挑战。

中国科学院的研究团队创新性地采用激光加热基座生长技术（LHPG），首次成功制备了Er³⁺
掺杂浓度梯度（1 at.%、4 at.%、7 at.%）的YScO₃
混晶光纤。这种无序结构的混晶材料因Y³⁺
/Sc³⁺
随机分布产生光谱展宽效应，结合LHPG技术无坩埚、高拉速的优势，突破了传统生长瓶颈。相关成果发表于《Journal of Luminescence》。

研究团队通过X射线衍射（XRD）验证晶体结构稳定性，采用微区光致发光映射技术证实Er³⁺
径向分布均匀性。光谱分析系统测量了室温吸收/发射特性，并通过荧光衰减曲线量化能级寿命。

晶体纤维生长和结构
采用高纯（99.999%）Er₂
O₃
/Sc₂
O₃
/Y₂
O₃
粉末按化学计量比冷压烧结，LHPG法制备的纤维直径均匀性达±2 μm，XRD显示所有样品保持立方相结构，无杂质峰。

微光致发光光谱
532 nm激光微区扫描显示，7 at.%掺杂样品在50 μm步长下的荧光强度变异系数<5%，证实晶体场无序性未导致离子聚集。

光学吸收光谱
7 at.%样品在983 nm处吸收截面达2.05×10^?21
cm²
，半高宽（FWHM）20.7 nm，较传统Er:YAG晶体拓宽3倍，有利于泵浦光源波长容差。

Judd-Ofelt分析与发射特性
计算获得强度参数Ω₂
=1.50×10^?20
cm²
、Ω₆
=0.96×10^?20
cm²
，2729 nm处发射截面0.53×10^?20
cm²
（FWHM 65.0 nm），满足中红外激光宽调谐需求。

荧光寿命研究
⁴
I_11/2
能级寿命从1 at.%的2.1 ms降至7 at.%的1.3 ms，而⁴
I_{13/sub>能级寿命保持0.9 ms，证实高浓度掺杂有效缓解能级寿命失配。}

该研究开创性地将LHPG技术与混晶设计结合，解决了2.7 μm激光增益介质的关键性能瓶颈。20.7 nm的吸收带宽为二极管泵浦提供更大容差空间，65 nm的发射带宽支持超短脉冲生成。团队提出的(Er_2x
Y_0.5-x
Sc_0.5-x
)₂
O₃
组分设计策略，为后续Tm³⁺
/Ho³⁺
等中红外激光材料开发提供新思路。研究成果对发展便携式医疗激光器、机载环境监测系统等装备具有重要应用价值。