Growth and Luminescence Properties of Tb<sup>3+</sup> Ions Doped CaF<sub>2</sub> Crystals

LIU Jian; WANG Wu-di; SONG Qing-song; DONG Jian-shu; XUE Yan-yan; WANG Qing-guo; XU Xiao-dong; SU Liang-bi; XU Jun

doi:10.37188/CJL.20220229

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Growth and Luminescence Properties of Tb³⁺ Ions Doped CaF₂ Crystals

Invited Paper | 更新时间：2026-09-12

- Growth and Luminescence Properties of Tb³⁺ Ions Doped CaF₂ Crystals
  增强出版
- Chinese Journal of Luminescence Vol. 43, Issue 11, Pages: 1750-1757(2022)
- 作者机构：
  
  1.同济大学物理科学与工程学院，高等研究院，上海　200092
  2.江苏师范大学物理电子与工程学院江苏省先进激光材料与器件重点实验室，江苏徐州　221116
  3.中国科学院上海硅酸盐研究所高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室，上海　201899
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China(61621001;62075166)
- DOI：10.37188/CJL.20220229
  CLC： O482.31
- Received：06 June 2022，
  
  Revised：2022-06-19，
  
  Published：05 November 2022
- 稿件说明：
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刘坚,王无敌,宋青松等.Tb³⁺离子掺杂CaF₂晶体的生长和发光性能[J].发光学报,2022,43(11):1750-1757. DOI: 10.37188/CJL.20220229.

LIU Jian,WANG Wu-di,SONG Qing-song,et al.Growth and Luminescence Properties of Tb³⁺ Ions Doped CaF₂ Crystals[J].Chinese Journal of Luminescence,2022,43(11):1750-1757. DOI: 10.37188/CJL.20220229.
刘坚,王无敌,宋青松等.Tb³⁺离子掺杂CaF₂晶体的生长和发光性能[J].发光学报,2022,43(11):1750-1757. DOI: 10.37188/CJL.20220229. DOI：

LIU Jian,WANG Wu-di,SONG Qing-song,et al.Growth and Luminescence Properties of Tb³⁺ Ions Doped CaF₂ Crystals[J].Chinese Journal of Luminescence,2022,43(11):1750-1757. DOI: 10.37188/CJL.20220229. DOI：

摘要

使用温梯法生长了10%Tb，

%Y∶CaF

（

= 0，3，5，10）系列晶体。通过X射线衍射分析了晶体结构，结果表明高浓度的稀土离子掺杂使得晶胞参数增大，但是仍然保持CaF

的萤石立方结构。采用吸收光谱、发射光谱及荧光衰减曲线等测试数据对其发光性能进行了研究。通过J⁃O理论计算，共掺Y

离子后，光谱品质因子

由0.75增加到0.80。F‑L公式计算得到10%Tb∶CaF

绿光545 nm处和黄光583 nm处的发射截面分别为0.89×10

-21

和0.082×10

-21

，10%Tb，10%Y∶CaF

在绿光545 nm处和黄光583 nm处的发射截面分别为0.89×10

-21

和0.077×10

-21

。并且Tb

离子

能级的荧光寿命都在5 ms以上，并不存在高浓度掺杂导致的荧光寿命降低现象，长荧光寿命意味着Tb

离子绝佳的储能能力。实验结果表明，Tb∶CaF

及Tb，Y∶CaF

晶体是有极大潜力实现可见激光输出的激光增益介质。

Abstract

A series of 10%Tb∶

%Y∶CaF

（

= 0， 3， 5， 10） crystals have been successfully grown by the temperature gradient technique（TGT）. The crystal structure was analyzed by X-ray diffraction， and the results showed that the high concentration of rare earth ion doping increased the unit cell parameters， but still maintained the fluorite cubic structure of CaF

. The absorption spectra， fluorescence spectra， and fluorescence decay curves were measured and analyzed at room temperature. By co-doping Y

ions， the spectral quality factor

increased

from 0.75 to 0.80. Using F-L formula， the emission cross sections of 10%Tb∶CaF

were calculated to be 0.89×10

-21

and 0.082×10

-21

for the 545 nm and 587 nm， respectively， and the emission cross sections of 10% Tb，10%Y∶CaF

were calculated to be 0.89×10

-21

and 0.077×10

-21

for the 545 nm and 587 nm. The fluorescence lifetime of

level is more than 5 ms， and there is no fluorescence lifetime quenching phenomenon caused by high concentration doping. The long fluorescence lifetime means that Tb

ion has excellent energy storage capacity. The experimental results show that Tb∶CaF

and Tb，Y∶CaF

crystals are gain mediums with great potential to realize visible laser output.

关键词

Keywords

references

CAVALLI E ， BOVERO E ， BELLETTI A . Optical spectroscopy of CaMoO 4 ∶Dy 3+ single crystals ［J］. J. Phys. Condens. Matter ， 2002 ， 14 （ 20 ）： 5221 - 5228 . doi: 10.1088/0953-8984/14/20/317 http://dx.doi.org/10.1088/0953-8984/14/20/317

LI J ， WANG J Y ， CHENG X F ， et al . Growth and optical properties of Dy x Y 1- x Al 3 （BO 3 ） 4 crystal ［J］. J. Cryst. Growth ， 2003 ， 253 （ 1-4 ）： 286 - 289 . doi: 10.1016/s0022-0248(03)01013-3 http://dx.doi.org/10.1016/s0022-0248(03)01013-3

LIU W P ， ZHANG Q L ， SUN D L ， et al . Crystal growth and spectral properties of Sm∶GGG crystal ［J］. J. Cryst. Growth ， 2011 ， 331 （ 1 ）： 83 - 86 . doi: 10.1016/j.jcrysgro.2011.07.023 http://dx.doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2011.07.023

DI J Q ， XU X D ， XIA C T ， et al . Crystal growth and optical properties of Sm∶CaNb 2 O 6 single crystal ［J］. J. Alloys Compd. ， 2012 ， 536 ： 20 - 25 . doi: 10.1016/j.jallcom.2012.04.105 http://dx.doi.org/10.1016/j.jallcom.2012.04.105

CHEN B J ， SHEN L F ， PUN E Y B ， et al . Sm 3+ -doped germanate glass channel waveguide as light source for minimally invasive photodynamic therapy surgery ［J］. Opt. Express ， 2012 ， 20 （ 2 ）： 879 - 889 . doi: 10.1364/oe.20.000879 http://dx.doi.org/10.1364/oe.20.000879

KRÄNKEL C ， MARZAHL D T ， MOGLIA F ， et al . Out of the blue： semiconductor laser pumped visible rare-earth doped lasers ［J］. Laser Photonics Rev. ， 2016 ， 10 （ 4 ）： 548 - 568 . doi: 10.1002/lpor.201500290 http://dx.doi.org/10.1002/lpor.201500290

CHEN H ， UEHARA H ， KAWASE H ， et al . Efficient visible laser operation of Tb∶LiYF 4 and LiTbF 4 ［J］. Opt. Express ， 2020 ， 28 （ 8 ）： 10951 - 10959 . doi: 10.1364/oe.385020 http://dx.doi.org/10.1364/oe.385020

CASTELLANO-HERNÁNDEZ E ， METZ P W ， DEMESH M ， et al . Efficie nt directly emitting high-power Tb 3+ ∶LiLuF 4 laser operating at 587.5 nm in the yellow range ［J］. Opt. Lett. ， 2018 ， 43 （ 19 ）： 4791 - 4794 . doi: 10.1364/ol.43.004791 http://dx.doi.org/10.1364/ol.43.004791

METZ P W ， MARZAHL D T ， MAJID A ， et al . Efficient continuous wave laser operation of Tb 3+ -doped fluoride crystals in the green and yellow spectral regions ［J］. Laser Photonics Rev. ， 2016 ， 10 （ 2 ）： 335 - 344 . doi: 10.1002/lpor.201500274 http://dx.doi.org/10.1002/lpor.201500274

METZ P W ， MARZAHL D T ， HUBER G ， et al . Performance and wavelength tuning of green emitting terbium lasers ［J］. Opt. Express ， 2017 ， 25 （ 5 ）： 5716 - 5724 . doi: 10.1364/oe.25.005716 http://dx.doi.org/10.1364/oe.25.005716

YAO W C ， LIU J ， LI E H ， et al . Tb， Y∶SrF 2 crystal for efficient laser operation in the visible spectral region ［J］. Opt. Lett. ， 2022 ， 47 （ 4 ）： 774 - 777 . doi: 10.1364/ol.448898 http://dx.doi.org/10.1364/ol.448898

MA F K ， SU F ， ZHOU R F ， et al . The defect aggregation of RE 3+ （ RE =Y， La-Lu） in M F 2 （ M =Ca， Sr， Ba） fluorites ［J］. Mater. Res. Bull. ， 2020 ， 125 ： 110788-1 - 12 .

JUDD B R . Optical absorption intensities of rare-earth ions ［J］. Phys. Rev. ， 1962 ， 127 （ 3 ）： 750 - 761 . doi: 10.1103/physrev.127.750 http://dx.doi.org/10.1103/physrev.127.750

OFELT G S . Intensities of crystal spectra of rare-earth ions ［J］. J. Chem. Phys. ， 1962 ， 37 （ 3 ）： 511 - 520 . doi: 10.1063/1.1701366 http://dx.doi.org/10.1063/1.1701366

LIU B ， SHI J J ， WANG Q G ， et al . Crystal growth， polarized spectroscopy and Judd-Ofelt analysis of Tb∶YAlO 3 ［J］. Spectrochim. Acta A Mol. Biomol. Spectrosc. ， 2018 ， 200 ： 58 - 62 . doi: 10.1016/j.saa.2018.04.006 http://dx.doi.org/10.1016/j.saa.2018.04.006

KAMINSKII A A . Crystalline Lasers ： Physical Processes and Operating Schemes ［M］. Boca Raton ： CRC Press ， 1996 .

SARDAR D K ， NASH K L ， YOW R M ， et al . Absorption intensities and emission cross sections of Tb 3+ （4f 8 ） in TbAlO 3 ［J］. J. Appl. Phys. ， 2006 ， 100 （ 8 ）： 083108-1-5 . doi: 10.1063/1.2358401 http://dx.doi.org/10.1063/1.2358401

LOIKO P ， MATEOS X ， DUNINA E ， et al . Judd-Ofelt modelling and stimulated-emission cross-sections for Tb 3+ ions in monoclinic KYb（WO 4 ） 2 crystal ［J］. J. Lumin. ， 2017 ， 190 ： 37 - 44 . doi: 10.1016/j.jlumin.2017.05.031 http://dx.doi.org/10.1016/j.jlumin.2017.05.031

COLAK S ， ZWICKER W K . Transition rates of Tb 3+ in TbP 5 O 14 ， TbLiP 4 O 12 ， and TbAl 3 （BO 3 ） 4 ： an evaluation for laser applications ［J］. J. Appl. Phys. ， 1983 ， 54 （ 5 ）： 2156 - 2166 . doi: 10.1063/1.332393 http://dx.doi.org/10.1063/1.332393

SHI J J ， LIU B ， WANG Q G ， et al . Crystal growth and spectral properties of Tb∶Lu 2 O 3 ［J］. Chin. Phys. B ， 2018 ， 27 （ 9 ）： 097801-1-6 . doi: 10.1088/1674-1056/27/9/097801 http://dx.doi.org/10.1088/1674-1056/27/9/097801

CHEN H J ， LOISEAU P ， AKA G ， et al . Optical spectroscopic investigation of Ba 3 Tb（PO 4 ） 3 single crystals for visible laser applic ations ［J］. J. Alloys Compd. ， 2018 ， 740 ： 1133 - 1139 . doi: 10.1016/j.jallcom.2017.12.081 http://dx.doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.12.081

KESAVULU C R ， SILVA A C A ， DOUSTI M R ， et al . Concentration effect on the spectroscopic behavior of Tb 3+ ions in zinc phosphate glasses ［J］. J. Lumin. ， 2015 ， 165 ： 77 - 84 . doi: 10.1016/j.jlumin.2015.04.012 http://dx.doi.org/10.1016/j.jlumin.2015.04.012

JAMALAIAH B C ， KUMAR J S ， BABU A M ， et al . Study on spectroscopic and fluorescence properties of Tb 3+ -doped LBTAF glasses ［J］. Phys. B Condens. Matter ， 2009 ， 404 （ 14-15 ）： 2020 - 2024 . doi: 10.1016/j.physb.2009.03.037 http://dx.doi.org/10.1016/j.physb.2009.03.037

SHAN F X ， ZHANG G C ， ZHANG X Y ， et al . Growth and spectroscopic properties of Tb 3+ -doped Na 3 La 9 O 3 （BO 3 ） 8 crystal ［J］. J. Cryst. Growth ， 2015 ， 424 ： 1 - 4 . doi: 10.1016/j.jcrysgro.2015.04.040 http://dx.doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2015.04.040

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