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《中国科学技术大学》 2017年
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2.8-3.1微米Ho~(3+)掺杂激光晶体的生长与性能研究

张会丽  
【摘要】:2.8-3.1 μ中红外激光波段处于水的强吸收带,在生物医疗中有着重要而广泛的应用;该波段激光还可用作光参量振荡的泵浦源,实现3-15 μm的中远红外激光输出,在光电对抗、反恐以及环境污染监测等方面也有着重要的应用。基于2.8-3.1 μm波长激光在上述几个方面的重要应用,因此探索能够实现该波段激光输出的新型稀土掺杂激光晶体是一个重要的研究方向,国内外众多研究机构开展了广泛而深入的研究。目前,已实现中红外激光输出的稀土激活离子主要有Er3+、Tm3+、Ho3+等,但Er3+、Tm3+等激活离子在一般条件下所形成的激光跃迁大多是线状谱。因此,较难在2.8-3.1 μm范围内获得应用所需要的某些特殊波长。相比而言,掺Ho3+离子的激光晶体在2.8-3.1μm波长范围内的荧光谱为宽带谱,可获得调谐激光输出,能够满足某些特殊波长应用的需求,这是其它稀土离子掺杂晶体不具备的性能。因此,Ho3+掺杂中红外激光将是未来激光技术发展的一个趋势。本论文将对Ho3+掺杂的YAP和GYSGG晶体进行系统地研究,以使Ho3+离子的调谐性能与YAP和GYSGG基质晶体的优势相结合,充分发挥各自的特性。此外,我们借鉴前人的研究结果,采用Yb3+单掺或Cr3+,Yb3+双掺对激活离子Ho3+进行敏化,以达到提高泵浦效率的目的;还研究了通过掺入能级耦合离子来降低激光下能级寿命,从而减小泵浦阈值,提高激光效率。本论文的主要研究内容和结果如下:一、通过优化晶体生长工艺,采用熔体提拉法成功生长出了高光学质量的Ho:YAP、Yb,Ho:YAP、Yb,Ho,Pr:YAP、Cr,Yb,Ho:YAP 和 Cr,Yb,Ho,Eu:YAP 晶体,对晶体的结构和结晶质量进行了表征,XRD结果表明掺杂离子未改变YAP基质的类钙钛矿结构;X射线摇摆曲线表明Ho3+掺杂YAP系列晶体具有良好的结晶质量。另外,我们还分析了 YAP系列晶体中的缺陷类型及形成原因,可以为优化生长工艺并获得高质量单晶体提供依据和指导。二、表征了 Cr,Yb,Ho,Eu:YAP晶体的基本物理性能,主要包括密度、比热、热膨胀系数、热扩散系数、热导率以及德拜温度等,并对晶体沿a、b、c三个结晶轴方向的热学性质随温度的变化规律进行了分析。结果表明,其热学性质具有各向异性的特点,b方向具有较小的热膨胀系数和较高的热导率,这些数据可以为晶体生长及其应用提供有用的指导。三、研究了 Cr3+,Yb3+,Ho3+,Pr3+/Eu3+掺杂YAP晶体的光谱性能,主要包括常温下的吸收、荧光光谱及荧光寿命等,并分析了掺杂离子间的能量传递过程。结果表明,Yb3+单掺或Cr3+,Yb3+共掺可以作为激活离子Ho3+的敏化剂,Pr3+或Eu3+可以作为退激活离子,使得激光下能级寿命得到一定程度的降低,Yb,Ho:YAP、Yb,Ho,Pr:YAP、Cr,Yb,Ho:YAP 和 Cr,Yb,Ho,Eu:YAP 晶体是有潜力的2.8-3.1μm激光材料。我们还对其激光性能进行了表征,在Cr,Yb,Ho:YAP晶体上首次实现了闪光灯泵浦的激光输出,采用平行平面谐振腔结构,在重复频率为5 Hz,输出镜透过率为30%的条件下,获得最大平均功率55 mW的激光输出,但是其激光输出功率和效率均比较低,有待进一步研究。四、采用熔体提拉法成功生长出光学质量优良的Cr,Yb,Ho,Pr:GYSGG晶体,其尺寸为Φ26 mm×80 mm。研究了晶体的吸收光谱、荧光光谱及荧光寿命,计算得到吸收系数、受激发射截面与能量传递效率等光谱参数。此外,采用闪光灯作为泵浦源,利用平-平腔结构首次实现了 Cr,Yb,Ho,Pr:GYSGG晶体2.84μm中红外激光输出。在重复频率5 Hz,输出镜透过率5%的条件下,Cr,Yb,Ho,Pr:GYSGG晶体的最小激光阈值约为29.0 J,最大平均功率为257 mW,电-光转换效率为0.033%,斜效率为0.040%,表明Cr,Yb,Ho,Pr:GYSGG晶体是一种有潜力的新型抗辐照中红外激光增益介质。本论文工作为发展新型中红外激光晶体Cr,Yb,Ho,Pr/Eu:YAP和Cr,Yb,Ho,Pr:GYSGG提供了参考,也为其实际应用奠定了基础。
【关键词】:2.8-3.1μm激光 晶体生长 Cr Yb Ho Pr/Eu:YAP Cr Yb Ho Pr:GYSGG 热学性质
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN244
【目录】:
  • 摘要5-7
  • Abstract7-13
  • 第1章 绪论13-25
  • 1.1 激光晶体简介13-16
  • 1.2 新型稀土掺杂激光晶体16-23
  • 1.2.1 激光基质材料的选择17-22
  • 1.2.2 激活离子的选取22-23
  • 1.3 论文的研究内容和意义23-24
  • 1.4 本论文工作24-25
  • 第2章 Cr,Yb,Ho,Pr/Eu掺杂YAP晶体生长、结构及缺陷25-61
  • 2.1 提拉法晶体生长简介27-33
  • 2.1.1 提拉法基本装置28-30
  • 2.1.2 提拉法生长工艺分析30-33
  • 2.2 Cr,Yb,Ho,Pr/Eu掺杂YAP晶体生长33-41
  • 2.2.1 多晶料制备34-35
  • 2.2.2 晶体生长35-39
  • 2.2.3 生长过程中存在的主要问题39
  • 2.2.4 实验结果39-41
  • 2.3 晶体的结构与质量表征41-51
  • 2.3.1 结构表征41-48
  • 2.3.2 X射线摇摆曲线48-51
  • 2.4 晶体中的缺陷分析51-59
  • 2.4.1 几种常见的晶体缺陷51-54
  • 2.4.2 本论文主要研究的缺陷与分析54-59
  • 2.5 本章小结59-61
  • 第3章 Cr,Yb,Ho,Eu:YAP晶体的物理性能表征61-73
  • 3.1 密度61-63
  • 3.2 比热63-65
  • 3.2.1 热容理论63-64
  • 3.2.2 Cr,Yb,Ho,Eu:YAP晶体的比热64-65
  • 3.3 热膨胀系数65-67
  • 3.3.1 晶体的热膨胀65-66
  • 3.3.2 热膨胀的测试方法66
  • 3.3.3 Cr,Yb,Ho,Eu:YAP晶体的热膨胀66-67
  • 3.4 热导率67-70
  • 3.4.1 晶体的热导率67-68
  • 3.4.2 热导率的测试方法68
  • 3.4.3 Cr,Yb,Ho,Eu:YAP晶体的热导率68-70
  • 3.5 德拜温度70-71
  • 3.6 本章小结71-73
  • 第4章 Cr,Yb,Ho,Pr/Eu掺杂YAP晶体的光谱及激光性能73-91
  • 4.1 光谱表征73-75
  • 4.1.1 吸收光谱73-74
  • 4.1.2 激发光谱与发射光谱74
  • 4.1.3 荧光衰减曲线74-75
  • 4.2 Cr,Yb,Ho,Pr/Eu掺杂YAP晶体的吸收光谱75-79
  • 4.2.1 b取向的吸收光谱75-77
  • 4.2.2 不同取向的吸收光谱77-79
  • 4.3 Cr,Yb,Ho,Pr/Eu掺杂YAP晶体的荧光光谱79-82
  • 4.4 Cr,Yb,Ho,Pr/Eu掺杂YAP晶体的荧光寿命82-86
  • 4.5 Cr,Yb,Ho,Pr/Eu掺杂YAP晶体的激光性能86-88
  • 4.6 本章小结88-91
  • 第5章 Cr,Yb,Ho,Pr掺杂GYSGG晶体的生长、光谱及激光性能91-103
  • 5.1 Cr,Yb,Ho,Pr掺杂GYSGG晶体的生长91-92
  • 5.2 Cr,Yb,Ho,Pr掺杂GYSGG晶体的光谱性能92-97
  • 5.2.1 吸收光谱92-94
  • 5.2.2 荧光光谱94
  • 5.2.3 Cr~(3+),Yb~(3+),Ho~(3+)与Pr~(3+)离子之间的能量传递过程94-96
  • 5.2.4 荧光寿命96-97
  • 5.3 Cr,Yb,Ho,Pr掺杂GYSGG晶体的激光性能97-100
  • 5.4 本章小结100-103
  • 第6章 总结与展望103-107
  • 6.1 全文总结103-105
  • 6.2 展望105-107
  • 参考文献107-117
  • 致谢117-119
  • 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果119-120

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