高エントロピーガーネット結晶による2.8µm中赤外レーザー性能向上(High-Entropy Garnet Crystal Enables Enhanced 2.8 μm Mid-Infrared Laser Performance)

2026-02-05 中国科学院(CAS)

中国科学院・合肥物質科学研究院の研究チームは、高エントロピー設計を導入したガーネット構造酸化物結晶を育成し、2.8 μm帯中赤外レーザー性能の向上を実証した。30原子%エルビウムを添加した高エントロピー結晶(Er:GdLuYSGG)では、多種陽イオンの相乗効果による格子歪みと局所電場変調により、966 nm吸収帯および2.8 μm近傍の発光帯が広帯域化した。半導体レーザー端面励起により、平均出力1062 mW、良好なビーム品質を持つ連続発振を達成し、従来のEr:LuYSGG結晶に比べ最大平均出力は約16.8%向上した。本成果は、放射線環境下でも高効率動作が求められる宇宙用途などに向け、中赤外超短パルスレーザー用利得媒質として高エントロピー酸化物結晶の有望性を示す。

高エントロピーガーネット結晶による2.8µm中赤外レーザー性能向上(High-Entropy Garnet Crystal Enables Enhanced 2.8 μm Mid-Infrared Laser Performance)
Photograph of the as-grown Er:GdLuYSGG crystal (Image by ZHANG Huili)

<関連情報>

高エントロピーEr:GdLuYSGG結晶の構造、分光法および2.8μmレーザー性能の向上 Structure, Spectroscopy and Enhanced 2.8 μm Laser Performance of a High-Entropy Er:GdLuYSGG Crystal

Huili Zhang,Dunlu Sun,Cong Quan,Maojie Cheng,Kunpeng Dong,Zhentao Wang,Hongyuan Li,and Xinjie Li,Shiji Dou
Crystal Growth & Design  Published: December 26, 2025
DOI:https://doi.org/10.1021/acs.cgd.5c01447

Abstract

A novel high-entropy laser crystal of 30 at. % Er:GdLuYSGG was grown by the Cz method. The crystal exhibits high crystalline quality, evidenced by an X-ray rocking curve FWHM of 0.007°. The thermal expansion coefficient and thermal conductivity are determined to be 1.52 × 10–5 K–1 and 4.10 W m–1 K–1, respectively. A broadened fluorescence band around 2760–2840 nm is observed and attributed to the lattice distortion effect of the high-entropy crystal, indicating the Er:GdLuYSGG crystal is beneficial for realizing tunable or ultrafast lasers. By a 973 nm LD end-pumping, a continuous-wave 2.8 μm laser is achieved with a maximum output power of 1062 mW, corresponding to a slope efficiency of 17.99%. The Mx2/My2 factors are 1.35 and 1.37, suggesting a high laser beam quality. The results imply that the high-entropy Er:GdLuYSGG crystal is a promising broadband gain medium for high-performance 2.8 μm mid-infrared laser, which might be particularly suited for applications in space radiation environments.

0501セラミックス及び無機化学製品
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