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《中国科学技术大学》 2017年
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2.9μm稀土钽酸盐激光材料的制备、结构及性能的研究

窦仁勤  
【摘要】:2.7~3 μm激光波段处于水的强吸收带,可用于多水分的身体软组织及骨的切开、切除手术,因此在生物医疗中有着重要的应用,目前已应用在眼科、牙科及激光美容手术中。其在红外对抗、激光雷达、环境监测、遥感、激光光谱等领域有着极为主要的运用地位。并且2.7~3 μ波段之间还有亚精细波长对水的吸收较弱,如2.911 μm波长,因此这个波段的激光可直接用于太空军事及科学研究。此外,2.7~3 μm激光可用作光参量震荡的泵浦源,实现3~15 μm的中红外激光输出,在环境污染检测、光电对抗及反恐等领域也有着重要的应用。Ho3+掺杂的钽酸盐晶体材料是潜在的直接产生2.7~3 μm激光的晶体材料。本文研究了以GdTaO4为基质,掺杂Yb,Tm,Ho,Pr,Y等离子晶体的晶体生长,对其结构、光谱及热学特性进行了详细了研究。本文的研究内容和成果如下:(1)采用高温固相法制备了 Yb,Ho掺杂GdTaO4和YTaO4多晶粉末。对其物相及结构进行了分析并精修了其结构参数。测量了其漫反射吸收谱,最强的吸收峰位于955 nm,吸收峰半峰宽度大约为75 nm,非常适合用目前已商品化的InGaAs的LD泵浦,且无需严格控温就能获得相位匹配的泵浦波长。发射谱表明,Yb,Ho掺杂GdTaO4和YTaO4多晶粉末在2.9 μm附近都有较强荧光峰。将Y3+掺入到GdTaO4基质中,优化Y3+的浓度,能将荧光峰的位置调节到2.911μm,所以Yb,Ho:Gd/YTaO4是值得深入研究并且有望成为一种新型LD泵浦2.911μm激光材料。(2)采用提拉法成功生长出无散射、光学质量良好的Ho:Gd/YTaO4,Tm,Ho:Gd/YTaO4,Yb,Ho:Gd/YTaO4,Yb,Ho,Pr:Gd/YTaO4 四种单晶。XRD 测试分析表明它们均为MGdTaO4相结构,利用Rietveld方法进行结构精修,获得了晶体的晶格常数、原子坐标、温度因子等结晶学参数;X射线摇摆曲线表明晶体结晶质量良好。通过X射线荧光分析,获得晶体中Ho3+离子的有效分凝系数接近1,因此有利于高浓度、均匀掺杂。(3)对 Ho:Gd/YTaO4,Tm,Ho:Gd/YTaO4,Yb,Ho:Gd/YTaO4和Yb,Ho,Pr:Gd/YTaO4四种晶体的光谱性能进行了详细的研究。四种晶体a,b,c三个方向的常温下的透过谱表明,四种晶体都是沿c方向的吸收系数最大,是优选的泵浦方向;Yb,Ho:Gd/YTaO4和Yb,Ho,Pr:Gd/YTaO4的泵浦波长处的吸收系数相对较大,更有利于提高泵浦效率。对Ho:Gd/YTaO4晶体的350~3000 nm范围内的吸收光谱进行了 J-O理论分析,计算得到了强度参数,给出了晶体不同能级跃迁的跃迁振子强度、线强、荧光寿命、荧光分支比等重要的光谱参数。测量了四种晶体常温下的发射谱。Ho:Gd/YTaO4在2848 nm、2862 nm和2906 nm处出现了三个最强的发射峰;Tm,Ho:Gd/YTaO4在2895 nm、2915 nm和2932 nm处出现了三个最强发射峰;Yb,Ho:Gd/YTaO4的最强发射峰在2865 nm和2911 nm处;Yb,Ho,Pr:Gd/YTaO4的最强发射峰在2865 nm和2907 nm处。其中Yb,Ho:Gd/YTaO4的最强发射峰位于2911 nm,并且半峰宽度达到21nm,是很有希望的实现2.911 μm激光输出的晶体材料。测量了四种晶体的2.9μm激光上下能级的寿命,上能级516的寿命依次为310.7,131.0,419.0,376.2μs,下能级 5I7 寿命依次为 8.1,4.1,7.3,0.9 ms。Yb,Ho,Pr:Gd/YTaO4激光上能级寿命长,下能级寿命相对较短,更容易实现粒子数反转,降低泵浦阈值,有利于激光输出功率或能量的提高。计算了四种晶体在2.9 μm波段的室温下的发射截面,Ho:Gd/YTaO4晶体在2848 nm 处有最大发射截面为 12.6×10-20cm2;Tm,Ho:Gd/YTaO4 晶体在 2933 nm处有最大发射截面为37.2×10-20 cm2;Yb,Ho:Gd/YTa04的最大发射截面为17.6×10_20 cm2,位于 2911 nm 处;Yb,Ho,Pr:Gd/YTaO4 的最大发射截面为13.9×10-20cm2,位于2907nm处。对比四种晶体可以发现,Tm,Ho:Gd/YTaO4的发射截面最大,最容易实现激光输出,其次分别是Yb,Ho:Gd/YTa04,Yb,Ho,Pr:Gd/YTaO4 和 Ho:Gd/YTa04 晶体。测量了低温8K下的Ho:Gd/YTaO4的吸收光谱和发射光谱,初步分析了 Ho3+相应多重态能级5I8,5I7,5I6,5F5,5F4+5S2,5F1+5G6的Stark能级分裂情况。(4)对Yb,Ho:Gd/YTaO4晶体的热力学性能进行了表征,主要包括比热、热膨胀,热扩散以及热导率。测定了 Yb,Ho:Gd/YTaO4的比热曲线,25 ℃的比热值为0.32 J/(g·K)。测定了 Yb,Ho:Gd/YTaO4晶体a,b,c三个方向的热膨胀系数,a向的热膨胀系数最小,说明a向可以作为最佳的生长方向,有利于生长出大尺寸无开裂的晶体。测定了晶体的热扩散系数,计算了其热导率。室温下a,b,c三个方向热扩散系数为 λa=2.019 mm2/s,λb=1.611mm2/s,λc=2.084mm2/s;热导率系数分别为ka=5.550W/mK,kb=4.428W/mK,kc=5.728W/mK。c向的热扩散和热导率最大,对于激光晶体来说,热扩散和热导率大,利于降低热透镜效应,所以c向可以作为作为最佳的泵浦方向。本论文工作为2.7~3 μm激光波段发展了新型的激光晶体材料。
【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

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