摻釹硅酸鎵鑭(Nd∶LGS)晶體生長(zhǎng)及其性質(zhì)研究.pdf

1、目前激光技術(shù)的發(fā)展日新月異，激光在眾多領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越重要。實(shí)際上，激光器是一個(gè)振蕩器，利用受激輻射實(shí)現(xiàn)光的振蕩，產(chǎn)生相干光。由于將半導(dǎo)體和固體激光器相結(jié)合，激光二極管(LD)泵浦的固體激光器(DPSSL)將兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合到一起，具有體積小、壽命長(zhǎng)、全固化、泵浦效率高、輸出穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)療、光通訊、材料加工、激光測(cè)距和激光核聚變等領(lǐng)域，已經(jīng)成為目前激光器件的研究熱點(diǎn)之一。
　　 激光工作物質(zhì)作為DPSSL的重

2、要組成部分是設(shè)計(jì)全固態(tài)激光器的關(guān)鍵因素，其物理和光譜性質(zhì)決定著激光器的性能及其應(yīng)用價(jià)值，因而，探索性能優(yōu)異的激光材料成為全固態(tài)激光器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。晶體材料具有良好的光學(xué)、熱學(xué)、機(jī)械以及物化等性能，因此在激光器的應(yīng)用中一直占據(jù)著統(tǒng)治地位。在各種晶體生長(zhǎng)方法中，提拉法因具有易觀察、生長(zhǎng)周期短、可控性好等優(yōu)點(diǎn)，成為晶體制備的首選方法。1983年，A.A.Kaminskii等報(bào)道了一系列不同取代組分(La1-xNdx)3Ga5SiO14(

3、x=0.0001～1)晶體的生長(zhǎng)。Nd3+:LGS屬于無序激光晶體，具有較低的閾值以及寬的吸收譜帶和發(fā)射譜帶，適合用作激光增益介質(zhì)，隨后Kaminskii等實(shí)現(xiàn)了該晶體LD泵浦連續(xù)激光輸出，但獲得的功率僅為30mW。LGS晶體也是一種用途廣泛的材料，它具有優(yōu)異的壓電、電光性能。從20世紀(jì)80年代首次報(bào)道至今，Nd:LGS激光晶體的研究一直為人們所關(guān)注。近來Nd:LGS晶體的1.061μm激光輸出也取得了一定的突破，得到了最大功率2.25

4、W的連續(xù)激光輸出。以往人們的研究集中在某一特定的高濃度摻雜晶體的性能方面，但是高摻雜濃度的晶體，由于晶格畸變，難以得到高質(zhì)量的單晶；并且濃度過高時(shí)，存在嚴(yán)重的熱效應(yīng)，難以實(shí)現(xiàn)高泵浦功率下應(yīng)用；由于自吸收嚴(yán)重，也難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)三能級(jí)激光輸出。對(duì)于Nd:LGS激光研究方面，尤其是LD泵浦激光方面，只是集中于z方向切割的晶體，但是其為三方晶系，其x或y方向切割的晶體為偏振輸出。此外，探索Nd:LGS晶體自調(diào)Q激光輸出也將是一項(xiàng)有意義的工作。以上工

5、作都需要有更大尺寸和高質(zhì)量的單晶。但到目前為止，還未有相關(guān)方面工作的報(bào)道。本論文對(duì)其晶體生長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)、質(zhì)量表征、熱學(xué)性質(zhì)、光譜性質(zhì)以及激光性能等進(jìn)行了系統(tǒng)研究，主要包括以下幾個(gè)方面的工作：
　　 一、晶體生長(zhǎng)
　　 1.介紹了Nd:LGS晶體的生長(zhǎng)設(shè)備及工藝，系統(tǒng)討論了在晶體生長(zhǎng)過程中影響晶體生長(zhǎng)質(zhì)量的主要因素。其中建立合適的溫場(chǎng)是生長(zhǎng)高質(zhì)量單晶的前提，控制合適的生長(zhǎng)工藝參數(shù)是晶體生長(zhǎng)的關(guān)鍵；合適的原料配比、優(yōu)質(zhì)的籽晶以及

6、退火處理等也是其中重要的環(huán)節(jié)。
　　 2.在生長(zhǎng)光學(xué)級(jí)LGS晶體的基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計(jì)了溫場(chǎng)，建立了適宜Nd:LGS晶體生長(zhǎng)的溫場(chǎng)系統(tǒng)。以純度為99.99％的La2O3，Nd2O3和SiO2與99.999％的Ga2O3通過固相反應(yīng)合成出晶體生長(zhǎng)所需要的多晶料。通過控制適宜的生長(zhǎng)工藝參數(shù)，利用提拉法成功生長(zhǎng)出了高質(zhì)量、大尺寸的Nd:LGS晶體，并對(duì)其生長(zhǎng)過程進(jìn)行了系統(tǒng)地研究，掌握了生長(zhǎng)高質(zhì)量Nd:LGS晶體的生長(zhǎng)條件。
　　

7、二、 Nd:LGS晶體的結(jié)構(gòu)與質(zhì)量表征
　　 1.X射線衍射數(shù)據(jù)表明，所生長(zhǎng)的4種摻雜濃度的晶體結(jié)晶質(zhì)量良好。經(jīng)過晶胞參數(shù)計(jì)算表明，Nd:LGS晶體晶格常數(shù)與LGS晶體相比變化非常小。高分辨X射線實(shí)驗(yàn)和錐光干涉實(shí)驗(yàn)也進(jìn)一步表征了所生長(zhǎng)的晶體的質(zhì)量，結(jié)果表明所生長(zhǎng)的晶體結(jié)晶性和光學(xué)均勻性都較好。
　　 2.X射線熒光測(cè)試，確定了Nd3+的摻雜濃度及其分凝系數(shù)。測(cè)定了晶體中各個(gè)元素的含量，證明了Nd3+離子摻雜后取代La3+

8、離子在晶體中的位置，所生長(zhǎng)的晶體為同成分化合物，質(zhì)量較好。
　　 三、 Nd:LGS晶體物理性質(zhì)的研究
　　 1.進(jìn)行了吸收光譜測(cè)試分析，晶體的吸收峰強(qiáng)度隨著Nd摻雜濃度的降低而減小，低濃度摻雜雖能提高晶體質(zhì)量，但是也降低了晶體對(duì)泵浦光的吸收效率。熒光光譜表明晶體在904nm處熒光強(qiáng)度較大，有可能實(shí)現(xiàn)該波長(zhǎng)的激光輸出。利用J-O理論計(jì)算了晶體的相關(guān)吸收和發(fā)射參數(shù)，晶體在588nm和808nm附近有較大的吸收截面，且吸收截

9、面的數(shù)值隨著摻雜濃度的升高而增大。摻雜濃度為0.3at％，0.5at％,lat％Nd:LGS晶體的4F能級(jí)的熒光壽命分別為116.8μs、111μs和102.5μs，熒光壽命隨著摻雜濃度的升高而降低；在1.06μm處具有較大的熒光分支比，且也隨著摻雜濃度的升高而降低，其受激輻射截面計(jì)算為1.405×10-19cm2。
　　 2.實(shí)驗(yàn)測(cè)量的Nd:LGS晶體密度與LGS晶體密度相當(dāng)，變化非常小。比熱實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Nd:LGS比熱高于

10、LGS，不同濃度下比熱變化很小。在測(cè)試溫度范圍內(nèi)，晶體的比熱略有增大。
　　 3.熱機(jī)械分析測(cè)量了Nd:LGS晶體的熱膨脹系數(shù)，不同濃度的a11和a33變化不大，但是Nd:LGS的all略高于LGS晶體的a11值。
　　 4.通過激光脈沖法測(cè)量了晶體的熱擴(kuò)散性質(zhì)，并計(jì)算了晶體的熱導(dǎo)率。結(jié)果表明，隨著Nd摻雜濃度的提高，熱導(dǎo)率逐漸增大，但是變化微小。Nd:LGS晶體的熱導(dǎo)率介于釩酸鹽和Nd玻璃之間，適合應(yīng)用于中等功率的激光

11、器。
　　 四、Nd:LGS晶體激光性能研究
　　 1.以Ti:Al2O3激光器為泵浦源，對(duì)0.15at％的Nd:LGS晶體進(jìn)行了激光實(shí)驗(yàn)。首次實(shí)現(xiàn)了906nm連續(xù)激光輸出，最大功率達(dá)到18mW。
　　 2.利用Z切0.3at％和0.15at％濃度晶體在1.06μm譜線處獲得了較大功率連續(xù)激光輸出，最大輸出功率分別為2.23W和0.47W，光光轉(zhuǎn)化效率分別為13％和8.5％，相應(yīng)斜效率分別為13.9％和4.4％。