近日，中国科学院上海光学精密机械研究所先进激光与光电功能材料部在镝镨共掺杂氟化铈（Dy3+,Pr3+:CeF3）激光晶体研究方面取得进展，相关成果以“Optical characteristics and energy transfer analysis of Dy3+-Pr3+ ions doped in CeF3 crystal”为题发表于Journal of Luminescence。
CeF3晶体具有多种优良特性，包括折射率较小、最大声子能量较低、稀土离子掺杂性好及易于制备与加工等特性，是一种理想的激光基质晶体。Pr3+是一种具有丰富能级结构的稀土离子，其3P0能级向下能级的跃迁对应于多个可见波段发射通道，因此Pr3+常被掺杂于各种基质中用作可见波段激光发射的激活离子。然而根据文献报道，Ce3+与Pr3+之间存在的能量传递过程会令Pr3+从3P0能级快速弛豫至1D2能级，导致Pr3+掺杂CeF3（Pr3+:CeF3）晶体的3P0能级荧光寿命仅为一百多纳秒，这大大增加了利用Pr3+：3P0能级实现可见波段激光输出的难度。
图1. 通过442 nm激发，在482 nm处监测的Dy3+,Pr3+:CeF3晶体荧光衰减曲线
针对上述问题，研究团队采用Dy3+, Pr3+共掺杂方法，延长了Pr3+:CeF3晶体中Pr3+：3P0能级的荧光寿命。实验结果表明，通过对Pr3+:CeF3晶体共掺Dy，Pr3+：3P0能级的荧光寿命提高了两个数量级，达到～17.91 μs。Dy3+与Pr3+之间的能量传递分析表明，由于Dy3+：4F9/2能级能量略高于Pr3+：3P0能级，且其荧光寿命显著长于Pr3+：3P0能级，在采用蓝光LD激发后，一部分能量储存在Dy3+：4F9/2能级上，当Pr3+：3P0能级上的能量快速消耗时，储存于Dy3+：4F9/2能级的能量通过能级间传递转移至Pr3+：3P0能级（Dy3+：4F9/2→Pr3+：3P0），由此显著提高了Pr3+：3P0能级的荧光寿命。以上研究结果为提高Pr3+:CeF3晶体中Pr3+：3P0能级的发射性能找到了一种可靠方法，有助于采用Dy3+,Pr3+:CeF3晶体实现可见波段激光输出。
图2. Dy3+-Pr3+间能量转移过程示意图
