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掺镝铝酸钇和掺钐与钐铈共掺铝酸钆钇激光晶体生长及性能研究

刘强  
【摘要】:黄橙光激光器(波长范围577-620nm)被广泛的运用到了激光雷达、生物医学检测、军事探测、天文等各个领域中。特别是在显示照明、眼科疾病的诊断及治疗上发挥了至关重要的作用,同其它波长的激光比起来,黄橙光波段的激光有着其无可替代的优势。和频与受激拉曼散射(SRS)效应是现在获取黄光激光最为普及的两种方式,但是目前黄橙光激光器所采用这种多腔系统仍然很复杂且效率低下。缺少合适的活性介质仍然限制了所有新型紧凑型固态黄橙色激光光源的开发。因此研制出可以直接发射出黄橙光的激光材料成为了当今的一个热点和重点。激光增益基质作为激光器的重要部位,要实现激光运转同时需要具备宽发射光谱、高的热导率和高的发射截面等特点。在新材料研究中,将Gd~(3+)离子掺入到YAP激光晶体中形成一种新的混晶GYAP晶体。这种新型无序混合晶体具有基态分裂大,取代位点类型多,无序结构,可以使得掺入的激活离子的吸收光谱和荧光光谱非均匀展宽有利于实现激光的运转。本文以Dy:YAP,Sm:GYAP和Sm/Ce:GYAP晶体作为研究对象,对该晶体的生长工艺和光谱性能进行了详细研究。评价了Dy;YAP,Sm/Ce:GYAP晶体作为黄橙光激光晶体的可能性。本文主要研究内容及成果如下:1.第一章介绍黄橙光激光器的发展现状,简要阐述黄橙光激光的实现途径,一些常见的产生黄橙光的固体增益介质的优缺点,提出了掺钐和钐铈共掺的黄橙光固体增益材料的研究必要性,指出了本文选择GYAP晶体作为研究对象的依据。2.详细介绍了GYAP晶体的生长原理与工艺,在以纯度99.999%的Al_2O_3、Y_2O_3、Gd_2O_3作为原料的基础上运用提拉法,从而成功的生长出了高质量的GYAP单晶;让生长的GYAP晶体结构接受XRD测试表征,结果显示其晶体结构与YAP晶体结构相同,空间群同为Pnma,晶胞参数为a=5.321(?),b=7.164(?),c=5.407(?),在整个过程中未发生结构相变。3.采用提拉法制备了Dy:YAP晶体,表征了该晶体的XRD结构、吸收光谱、激发光谱与发射光谱等。对Dy:YAP晶体进行了XRD图谱测试,其与YAP标准PDF卡片相匹配,结果表明Dy:YAP晶体与卡片结构相同,为正交晶系,空间群为Pnma,晶胞参数为a=5.316(?),b=7.378(?),c=5.172(?)。通过Judd-Ofelt理论计算出Dy:YAP晶体的J-O强度参数、荧光分支比,Dy:YAP晶体的J-O强度参数为Ω_2=2.74×10~(-20) cm~2,Ω_4=1.24×10~(-20) cm~2,Ω_6=2.99×10~(-20) cm~2。测试了Dy:YAP晶体的荧光光谱,Dy:YAP晶体在580 nm处的发射强度最大。在580nm处发射峰的最大发射截面为0.350×10~(-20)cm~2,Dy:YAP晶体于~4F_(9/2)→~6H_(13/2)跃迁的荧光量子效率为22.9%。Dy:YAP晶体相应的~4F_(9/2)能级寿命为为170us。4.采用提拉法成功生长了Sm:GYAP与Sm/Ce:GYAP晶体,对晶体的吸收光谱做出详细的研究与分析,结合Judd-Ofelt理论分析了Sm/Ce:GYAP晶体的J-O强度参数、荧光寿命、自发辐射几率等各项重要指标,Sm/Ce:GYAP晶体的J-O强度参数为Ω_2=2.02×10~(-20)cm~2,Ω_4=2.82×10~(-20)cm~2,Ω_6=4.88×10~(-20)cm~2。测试了Sm:GYAP与Sm/Ce:GYAP晶体的激发光谱与发射光谱。Sm/Ce:GYAP晶体在602 nm处的发射强度至少是Sm:GYAP晶体的四倍。在602nm处发射峰的最大发射截面为5.01×10~(-20)cm~2,比Sm~(3+)单掺杂GYAP晶体的最大发射截面1.6×10~(-20)cm~2大。Sm/Ce:GYAP晶体于~4G_(5/2)→~6H_(7/2)跃迁的荧光分支比为48.9%大于Sm:GYAP晶体的43.1%。Sm:GYAP与Sm/Ce:GYAP晶体相应的~4G_(5/2)能级寿命为分别为298us与305us。


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