幾種稀土氧化物晶體的生長和光電性能研究.pdf

1、稀土氧化物晶體作為最重要的光電功能晶體材料之一，無論在人們?nèi)粘Ｉ钪?，還是在軍事國防等重大領(lǐng)域都發(fā)揮著極其重要的作用。其中，激光晶體材料和鐵電晶體材料均占據(jù)著相當(dāng)重要的地位，一直是人們研究的熱點。因此，開展這兩類晶體材料的生長和光電性能研究，不僅在單晶生長技術(shù)水平的提高、材料性能的優(yōu)化提升和新材料的探索等方面具有重要的科學(xué)意義，而且能滿足工業(yè)、國防等領(lǐng)域的實際需求。
　　本論文工作主要集中于稀土氧化物晶體材料的生長和光電性能研究，

2、根據(jù)晶體生長方法和光電性能的不同可分為兩大部分:第一部分為基于GGG石榴石晶體的結(jié)構(gòu)無序化調(diào)控、晶體生長和性能優(yōu)化等方面的研究，這部分工作是作者國內(nèi)博士學(xué)習(xí)階段完成的;第二部分為新型幾何鐵電RInO3系列單晶的生長探索和性能研究，這部分工作主要是作者在國家公派留學(xué)美國羅格斯大學(xué)博士聯(lián)合培養(yǎng)期間完成。
　　一、無序結(jié)構(gòu)激光晶體生長與性能研究
　　脈沖激光具有大的峰值功率、窄的脈沖寬度、高的脈沖能量等特點，在激光雷達(dá)、激光測距、

3、激光醫(yī)療和激光加工等領(lǐng)域受到人們廣泛的應(yīng)用，是全固態(tài)激光未來主要的發(fā)展方向，激光增益介質(zhì)是它的核心部件。高儲能、寬光譜和優(yōu)良熱機械性能的激光增益介質(zhì)是產(chǎn)生脈沖激光的理想選擇。短脈沖激光的產(chǎn)生要求增益介質(zhì)有寬的發(fā)射光譜。玻璃通常具有寬的發(fā)射光譜和長的熒光壽命，適合脈沖激光的產(chǎn)生，但是它的熱學(xué)性能不好;有序晶體熱學(xué)性能良好，但是其發(fā)射光譜相對較窄，較難獲得短脈沖激光。無序晶體可以兼具晶體和玻璃的雙重優(yōu)點，既保持晶體優(yōu)良的熱學(xué)性能，又具有玻璃

4、較寬的發(fā)射光譜，已經(jīng)成為脈沖激光材料研究的熱點。在無序晶體中，激活離子一般占據(jù)兩種或兩種以上不同的格位，不同格位晶格場的差異造成激活離子分布的無序性，無序晶格場的限制使晶體熒光譜發(fā)生非均勻加寬。無序晶體可以同時具有良好的熱學(xué)性能和寬的熒光光譜，是用來產(chǎn)生脈沖激光的優(yōu)良介質(zhì)。
　　本論文選擇了具有優(yōu)異熱學(xué)性質(zhì)的石榴石結(jié)構(gòu)Gd3Ga5O12(GGG)晶體作為基質(zhì)進行研究，向GGG晶格中引入不同陽離子占據(jù)不同格位，設(shè)計構(gòu)建了新型無序結(jié)構(gòu)

5、晶體，并對其生長進行了探索;通過調(diào)Q和鎖模技術(shù)對其短脈沖激光性能進行了研究，結(jié)果表明無序結(jié)構(gòu)對晶體的光譜和激光性能帶來了很大改善，為短脈沖激光技術(shù)和激光晶體的發(fā)展提供了重要的實驗和理論參考。
　　本部分研究內(nèi)容和主要結(jié)果包括:
　　1、晶體生長、晶體組分與分凝系數(shù)
　　采用提拉法生長了無序結(jié)構(gòu)的Yb∶GAGG和Yb∶LGGG激光晶體，研究了生長過程中需要注意的問題，實驗結(jié)果表明以50％Ar+50％CO2氣體作為生長氣氛

6、可以有效抑制Ga2O3的揮發(fā)。通過X射線熒光方法，確定了摻雜離子的濃度，并計算了相應(yīng)的分凝系數(shù)。
　　2、無序度不同的Yb∶GAGG晶體的熱學(xué)、光譜和SESAM鎖模激光性能的比較
　　系統(tǒng)表征了Yb∶GAGG晶體的比熱、熱膨脹和熱擴散性質(zhì)。通過研究發(fā)現(xiàn)，在Al3+離子摻雜濃度為12at.％～22at.％范圍內(nèi)，Al3+離子摻雜濃度的增加對晶體的基本熱學(xué)性質(zhì)并無顯著影響，換而言之，晶體結(jié)構(gòu)無序度增加的同時其熱學(xué)性能并沒有降低。

7、通過光譜測試發(fā)現(xiàn)，Al3+離子摻雜濃度的增加導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)無序度的增加，從而引起了光譜的非均勻展寬，這與光譜非均勻展寬理論相符合。通過對晶體的SESAM鎖模激光性能研究發(fā)現(xiàn)，利用1＃Yb∶GAGG晶體我們獲得了1.6ps的脈沖激光輸出，利用無序度更高的4＃Yb∶GAGG晶體，我們獲得了920fs的脈沖激光輸出。實驗證明，晶體無序度的增加有利于獲得更短的激光脈沖，Yb∶GAGG晶體在利用SESAM鎖模技術(shù)獲得短脈沖激光方面具有比較大的潛力。

8、
　　3、無序結(jié)構(gòu)Yb∶LGGG晶體的光譜和聲光主動調(diào)Q激光性能研究
　　Yb∶LGGG晶體在1025nm處的熒光發(fā)射線寬為14.7nm，Yb∶GGG晶體在此處的熒光發(fā)射線寬為12nm，Lu3+離子的摻雜導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)無序度的增加，從而引起了光譜的非均勻展寬。實現(xiàn)了Yb∶LGGG晶體高效的聲光調(diào)Q激光輸出，在重復(fù)頻率為1kHz時獲得了3.26W的最大功率輸出，激光斜效率達(dá)到了52％，相應(yīng)的單脈沖能量為3.26mJ，獲得了最短的

9、脈寬為14.5ns，最大的峰值功率為225kW。光束質(zhì)量因子小于1.2，展現(xiàn)了極好的光束質(zhì)量。結(jié)果表明，無序結(jié)構(gòu)的Yb∶LGGG晶體在利用聲光調(diào)Q技術(shù)獲得高脈沖能量和高峰值功率激光方面具有比較大的潛力。
　　二、新型幾何鐵電RInO3系列單晶的生長探索和性能研究
　　鐵電材料是一類具有自發(fā)極化的介電功能材料，自發(fā)極化強度可以隨外加電場的作用而反向，在傳感、驅(qū)動、信息存儲等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。目前，雖然在技術(shù)上應(yīng)用最廣泛的鐵電體

10、仍是鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物，但由于六方晶系A(chǔ)BO3中可能存在新奇的非本征幾何鐵電性，人們對這類材料的研究興趣日益增加。常規(guī)介電體的鐵電性的產(chǎn)生一般遵循d0(Nb，Ta)過渡金屬離子或孤對電子(Bi3+，Pb2+)機制;不同于以上的常規(guī)機制，非本征幾何鐵電體鐵電性能的實現(xiàn)一般由非極性反演對稱破缺的晶體畸變驅(qū)動，例如晶格中多面體的轉(zhuǎn)動或傾斜。另外，自發(fā)極化Ps僅僅通過序參量的非線性耦合產(chǎn)生。幾何鐵電機制具有新穎的特性，例如具有傳統(tǒng)鐵電體中不存在的

11、可調(diào)電導(dǎo)的帶電疇壁。此外，對幾何鐵電體的探索將拓寬鐵電材料的研究前沿，并為設(shè)計磁性鐵電體提供了一條新途徑，其對于自旋電子學(xué)應(yīng)用也很有吸引力。
　　在這些體系中，六方RMnO3（R:稀土元素）化合物因其多鐵性引起了廣泛的研究。如果Mn3+離子被非過渡金屬In3+離子取代，則系統(tǒng)的電或磁特性將僅由稀土離子R3+的4f殼電子引起。從這方面考慮，在RInO3中研究R3+的磁性比在RMnO3中更容易一些。RInO3與六方晶系RMnO3同構(gòu)，

12、通過第一性原理計算預(yù)測RInO3中的自發(fā)極化約為10μC/cm2，是YMnO3和RMnO3的兩倍。然而，最近報道GdInO3多晶為順電性，因此，RInO3中是否存在幾何鐵電性仍有爭議，并且由于缺乏RInO3單晶，其他一些物理性質(zhì)也仍然不明朗。據(jù)我們所知，目前還沒有關(guān)于RInO3單晶生長的報道。因此，為了更好地研究這種材料的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)，生長獲得RInO3單晶非常重要。
　　此外，最近的研究發(fā)現(xiàn)，在h-RMnO3晶體中存在一個非常

13、有趣的疇結(jié)構(gòu)，它具有拓?fù)浔Ｗo疇節(jié)點，以渦旋線的形式穿過h-RMnO3晶體，這種有趣的拓?fù)淙毕莓牉樵O(shè)計和實現(xiàn)非易失性渦旋存儲設(shè)備和邏輯設(shè)備提供了一條可能的途徑。六方相的RInO3中是否存在這種有趣的拓?fù)淙毕莓犇兀?br>　　本論文中，我們對RInO3系列新型幾何鐵電晶體進行了研究，探索了其鐵電性產(chǎn)生機制，并對其相關(guān)性能進行了研究。主要內(nèi)容和結(jié)論如下:
　　Ⅰ.采用激光浮區(qū)法，首次生長出了TbInO3、EuInO3和GdInO3晶體，