Nd-LuxY1-xVO4系列晶體的性能研究.pdf

1、摻釹的釩酸鹽晶體，包括Nd:YVO4，Nd:GdVO4和Nd:LuVO4等，具有較寬的泵浦吸收帶、較大的受激發(fā)射截面、較低的激光振蕩閾值以及偏振輸出等優(yōu)點，所以在眾多的激光材料中脫穎而出，成為中小功率連續(xù)波激光器的理想增益介質(zhì)。然而在已經(jīng)實用化的脈沖激光器中，摻釹的釩酸鹽晶體沒有得到實際應(yīng)用，根本原因在于其受激發(fā)射截面過大，激光上能級壽命相對較短，這使得該類介質(zhì)的儲能本領(lǐng)不高，難以獲得大的單脈沖能量。目前Nd:YAG是較常用的脈沖激光晶

2、體，但是Nd:YAG也具有一些缺點，比如：效率相對較低、不能產(chǎn)生偏振輸出、熱致雙折射引起光束質(zhì)量下降等。因此，探索和尋找適合于脈沖應(yīng)用的新型激光晶體，是進一步完善和發(fā)展全固態(tài)脈沖激光技術(shù)的迫切要求。
　　 近年來，在探索和尋找新型激光晶體的過程中，人們相繼開發(fā)了Nd:GdxY1-xVO4和Nd:LuxGd1-xVO4等摻釹釩酸鹽混晶。研究發(fā)現(xiàn)，摻釹釩酸鹽混晶不僅具有較寬的泵浦吸收帶以及偏振輸出等優(yōu)點，同時其發(fā)射譜線的非均勻加寬效

3、應(yīng)也有效地減小了受激發(fā)射截面，使摻釹釩酸鹽混晶的脈沖激光特性有了很大的提高。我們相信，Nd:LuxY1-xVO4混晶應(yīng)該也具有類似于以上兩種混晶的脈沖激光特性。目前已經(jīng)有關(guān)于Nd:LuxY1-xVO4混晶的報道，如Nd:Lu0.15Y0.85VO4、Nd:Lu0.2Y0.8VO4以及Nd:Lu0.5Y0.5VO4，但是這些研究都集中于Nd:LuxY1-xVO4混晶的某一特定組分，對這一類晶體缺乏全面、系統(tǒng)的認識。本論文利用我單位和課題組

4、在晶體生長及性能表征方面的優(yōu)勢，系統(tǒng)研究了Nd:LuxY1-xVO4系列混晶，并對其應(yīng)用前景進行了客觀評價。
　　 首先，采用提拉法生長了六種不同組分的Nd:LuxY1-xVO4混晶。通過X射線熒光分析法，對混晶中的元素進行了定量分析。測試結(jié)果表明：各組分混晶中Nd的原子百分比約為0.1％;Lu的原子百分比x約為10％、26％、41％、61％、67％、80％。采用X射線衍射儀對生長的晶體進行了結(jié)構(gòu)表征，實驗結(jié)果表明：Nd:Lux

5、Y1.xVO4混晶與YVO4和LuVO4晶體類似，具有鋯石型結(jié)構(gòu)，同屬四方晶系，I41/amd空間群。為了表征各組分混晶的晶格完整性，我們采用高分辨X射線衍射儀對各組分混晶進行了檢測，實驗結(jié)果表明：混晶內(nèi)部沒有明顯缺陷，具有相對良好的晶格完整性。
　　 其次，測試了各組分混晶的密度、比熱、熱膨脹、熱導(dǎo)率以及材料常數(shù)等熱學(xué)參量，研究了各熱學(xué)參量隨組分x的變化趨勢。測試結(jié)果表明：隨著混晶中Lu元素組分x的增大，混晶的密度近似線性增大

6、；混晶的比熱雖然呈現(xiàn)下降趨勢，但是前三種混晶的比熱高于Nd:LuVO4單晶，理論上它們應(yīng)該具有相對較高的光損傷閾值；混晶的熱膨脹各向異性呈現(xiàn)增大的趨勢，但是都低于Nd:LuVO4單晶，這對于減少混晶在生長、加工以及應(yīng)用過程中的熱開裂是有利的；混晶的熱導(dǎo)率和材料常數(shù)基本上都高于Nd:YVO4單晶，因而具有相對較高的散熱能力和熱應(yīng)力承受能力，這將有利于混晶在較高泵浦功率下的應(yīng)用。
　　 再次，測試了各組分混晶的吸收光譜和熒光發(fā)射光譜

7、，并根據(jù)J-O理論計算了各組分混晶的上能級壽命以及發(fā)射截面等光譜參量。測試結(jié)果表明：Nd:LuxY1-xVO4混晶的809nm吸收半峰寬度遠大于Nd:YVO4和Nd:LuVO4單晶，存在明顯的非均勻加寬現(xiàn)象；隨著混晶中Lu元素組分x的增大，上能級壽命τ呈現(xiàn)出遞減的趨勢，但是它們都大于Nd:LuVO4單晶的上能級壽命，并且前三種混晶的上能級壽命相對于Nd:YVO4單晶也有了一定程度的提高；混晶的發(fā)射截面σ1064呈現(xiàn)出與上能級壽命τ相反的

8、變化趨勢。
　　 最后，在四能級系統(tǒng)速率方程的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出描述連續(xù)激光輸出性能的相應(yīng)表達式；基于激光增益介質(zhì)激發(fā)態(tài)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)與諧振腔內(nèi)光子數(shù)之間的相互關(guān)系，采用速率方程分析了被動調(diào)Q脈沖的形成過程以及各種參量對激光脈沖的影響。由以上理論分析作為指導(dǎo)，實現(xiàn)了高效的連續(xù)及被動調(diào)Q激光運轉(zhuǎn)。對于Nd:Lu0.10Y0.90VO4混晶，在最大吸收泵浦功率為6W，輸出鏡透過率T=15％的情況下，使用T0=77％的Cr:YAG飽和吸收片作