稀土掺杂发光材料一直是科研领域研究的热点, 被广泛应用于白光LED、 温度传感、 显示显像、 新能源和激光等领域。 基质的结构对于稀土离子光致发光特性有非常重要的影响, 在众多发光基质材料中, 硼酸盐具有透光范围宽、 光学损伤阈值高、 较好的热稳定性和化学稳定性等优点。 碱土-稀土金属硼酸盐Sr₃Y₂(BO₃)₄具有出色的光学性能, 对其发光性能的研究具有重要意义。 稀土离子Eu³⁺具4f⁶电子层, 是一种典型的下转换发光中心离子, 常被选作红色发光材料的激活剂。 Dy³⁺具4f⁹电子层, 也是一种典型的下转换发光中心离子, 在紫外光激发下, 在蓝色光区和橙色光区有较强的荧光发射。 采用高温固相法合成了Sr₃Y₂(BO₃)₄∶Eu³⁺/Dy³⁺荧光粉, 通过XRD和SEM对样品的结构和形貌进行了表征, XRD结果表明, 1 000 ℃烧结5 h, H₃BO₃过量20%为最佳制备条件, 且少量的Eu³⁺和Dy³⁺掺杂并未改变Sr₃Y₂(BO₃)₄的晶格结构。 SEM图像表明Sr₃Y₂(BO₃)₄基质的平均晶粒尺寸为2~4 μm, 10%Eu³⁺单掺和5%Eu³⁺/5%Dy³⁺双掺样品与基质Sr₃Y₂(BO₃)₄的SEM图像相比, 形貌和尺寸并没有发生明显的改变。 Sr₃Y₂(BO₃)₄∶Eu³⁺荧光粉的发光结果表明, 分别在395和466 nm激发下, 浓度为5%, 10%和15%的Eu³⁺单掺Sr₃Y₂(BO₃)₄荧光粉的主要发光位于593和613 nm的红光发射, 峰强度随着Eu³⁺浓度的增加呈现先增加后降低的变化形式, 掺杂浓度为10%时发光强度最大, 说明存在浓度猝灭现象。 色坐标结果显示, 激发波长由395 nm变化到466 nm, Sr₃Y₂(BO₃)₄∶Eu³⁺荧光粉的发光颜色从橙红色向红色转变。 引入Dy³⁺后, Sr₃Y₂(BO₃)₄∶Eu³⁺/Dy³⁺样品的发射光谱出现Dy³⁺的486 nm的蓝光发射(⁴F_9/2→⁶H_15/2)和576 nm的橙光发射(⁴F_9/2→⁶H_13/2), 并且随着Dy³⁺浓度的增加, 对Eu³⁺的⁵D₀→⁷F_{1, 2, 3, 4}跃迁有抑制作用。 色坐标结果显示通过调整掺杂离子Eu³⁺和Dy³⁺的比例可实现Sr₃Y₂(BO₃)₄∶Eu³⁺/Dy³⁺荧光粉的颜色从红色区域向橙色区域转变, 说明其在显示方面具有良好的应用前景。

近年来, 黄色激光晶体在激光显示、激光医疗、激光雷达(光探测和测距)、玻色-爱因斯坦凝聚、原子冷却和俘获等领域具有广泛的应用, 吸引了研究人员极大的兴趣。随着蓝光LD泵浦源的商用化, 直接泵浦Dy³⁺掺杂激光晶体可输出黄色激光, 对应⁴F_9/2→⁶H_13/2跃迁。本工作采用提拉法生长了Dy³⁺掺杂浓度分别为0.5%、1.0%、2.0%、3.0%和4.0%(原子分数)的Dy³⁺: Y₃Al₅O₁₂(Dy:YAG)晶体, 并分析了晶体开裂的原因。基于Judd-Ofelt理论计算了J-O强度参数, 并利用其评估了不同掺杂浓度的Dy:YAG晶体的其它激光参数。综合讨论了Dy³⁺掺杂浓度对荧光分支比、受激发射截面、量子效率等光谱性能的影响。在五个晶体样品中, 1.0%Dy: YAG晶体在447 nm激发下实现了582 nm最大的受激发射截面值和最强的荧光强度值, 荧光寿命较长, 达到0.823 ms。与之相比, 2.0%Dy: YAG晶体发射参数值略低, 但是其吸收系数更大。研究结果表明, 激光二极管泵浦的Dy:YAG黄色激光晶体中Dy³⁺离子的浓度为1.0%和2.0%较为合适, 并基于2.0%Dy: YAG晶体实现了连续黄色激光输出, 最大功率为166.8 μW, 激光峰值波长为582.5 nm。

Mid-infrared (MIR) laser sources operating in the 2.7–3 µm spectral region have attracted extensive attention for many applications due to the unique features of locating at the atmospheric transparency window, corresponding to the “characteristic fingerprint” spectra of several gas molecules, and strong absorption of water. Over the past two decades, significant developments have been achieved in 2.7–3 µm MIR lasers benefiting from the sustainable innovations in laser technology and the great progress in material science. Here, we mainly summarize and review the recent progress of MIR bulk laser sources based on the rare-earth ions-doped crystals in the 2.7–3 µm spectral region, including Er3+-, Ho3+-, and Dy3+-doped crystalline lasers. The outlooks and challenges for future development of rare-earth-doped MIR bulk lasers are also discussed.