Từ phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang, chúng tôi xây dựng được giản đồ một số mức năng lượng của Nd3+ trong tinh thể K2GdF5:Nd3+. Giản đồ năng lượng thu được từ thực nghiệm của chúng tôi rất gần với công bố của Carnall về các mức năng lượng của Nd3+ trong nền LaCl3. Tuy nhiên, do giới hạn của hệ đo nên chúng tôi không xác định được vị trí năng lượng của mức 4I15/2. Sử dụng giản đồ năng lượng, quá trình phát xạ của ion Nd3+ với các bước sóng khác nhau có thể được giải thích như sau.
+ Sau khi được kích thích bởi các photon phát ra từ laser785 nm, các ion Nd3+ chuyển lên mức 4F5/2, sau đó chúng phục hồi nhanh về các mức Stark thấp nhất (Smin) của trạng thái này. Từ mức Smin, các ion Nd3+ có thể phục hồi về trạng thái cơ bản thông qua hai con đường: (i) phát xạ photon 795 nm thông qua chuyển dời Smin(4F5/2)→4I9/2; (ii) chuyển về mức 4F3/2 thông qua phục hồi đa phonon (MP) rồi tiếp tục chuyển về các mức 4IJ (J = 9/2, 11/2, 13/2 và 15/2) đồng thời phát ra các bức xạ trong vùng hồng ngoại. Tuy nhiên do giới hạn vùng đo của thiết bị, chúng tôi chỉ ghi nhận được hai dải huỳnh quang tại 864 nm (4F3/2→4I9/2) và 1064 nm (4F3/2→4I13/2).
+ Với điều kiện kích thích bởi laser 532 nm. Các ion Nd3+ được kích thích lên mức 2G7/2, sau đó chúng phục hồi nhanh về mức 2G5/2. Một phần năng lượng được giải phóng thông qua các chuyển dời 2G5/2→4IJ (J = 9/2, 11/2, 13/2) và tạo ra các dải phát xạ yếu tại bước sóng khoảng 582 nm, 660 nm và 755 nm. Phần năng lượng còn lại được chuyển về mức 4F3/2 thông qua quá trình đa phonon. Cuối cùng, các ion Nd3+ phục hồi về trạng thái cơ bản thông qua các chuyển dời 4F3/2→4IJ như trong trường hợp mẫu được kích thích bởi bước sóng 785 nm.
Hình 3. 6. Giản đồ một số mức năng lượng và các quá trình kích thích, huỳnh quang của ion Nd3+ pha tạp trong K2GdF5.
Như được chỉ ra trên hình 3.6, cường độ phát xạ của dải 864 nm dưới điều kiện kích thích bởi laser 785 nm là mạnh hơn nhiều so với kích thích bởi laser 532 nm. Nguyên nhân là do với điều kiện kích thích bởi laser 532 nm, một phần năng lượng được giải phóng do các chuyển dời 4G5/2→4IJ (J = 9/2, 11/2 và 13/2).