新型系列釩酸鹽晶體生長及其脈沖能量增強效應研究.pdf

1、激光-Laser(light amplification by stimulated emission of radiation)，是利用受激輻射實現(xiàn)光的放大。實際上，激光器是一個振蕩器，利用其受激輻射實現(xiàn)光的振蕩，產生相干光。激光因具有單色性，方向性和相干性等特點，已經成為軍事、醫(yī)學、科研乃至人們日常生活不可或缺的一部分。近幾年，隨著激光二極管(laserdiode,簡稱LD)技術的發(fā)展，LD泵浦的固體激光器(Diode-pumped

2、 solid-state lasers，簡稱DPSSL)，已經在激光器領域掀起了一場新的激光革命。如今，DPSSL已經在材料加工、醫(yī)學、光通訊、激光顯示、制導、雷達技術和激光核聚變等方面得到了重要的應用。 作為激光器的一個重要部分，激光增益介質的性能最終決定了激光器的輸出特性和應用范圍。與Nd∶YAG相比，釹離子(Nd)摻雜的釩酸鹽晶體，如Nd∶YVO4，Nd∶GdVO4和Nd∶LuVO4，因其具有大的吸收和發(fā)射截面，偏振輸出等

3、特性，在眾多的激光材料中脫穎而出，成為中小功率連續(xù)激光器的首選材料，其中Nd∶YVO4晶體已經實現(xiàn)產業(yè)化。隨著脈沖激光器的發(fā)展，人們迫切需要高能量、短脈沖的小型激光器，因此尋求適合脈沖激光器中應用的激光材料成為研究的熱點之一。鑒于這三種釩酸鹽(Nd∶YVO4，Nd∶GdVO4和Nd∶LuVO4)都具有的鋯石結構和I41/amd空間群，以及相接近的熔點(1800℃)，若按照一定比例將其中的兩兩組合，可以得到三種新的釩酸鹽混晶：Nd∶YxG

4、d1-xVO4，Nd∶LuxGd1-xVO4和Nd∶YxLu1-xVO4(0≤x≤1)。在這些新的混晶中，原來的一種離子占據的格位，被兩種離子隨機占據，使Nd離子周圍的晶格場不同，造成其特征譜線，如吸收和發(fā)射譜線，會發(fā)生明顯的非均勻增寬，并使得受激發(fā)射截面減小。小發(fā)射截面的激光材料適合于在調Q激光領域的應用，而寬的發(fā)射譜線的激光材料是產生鎖模(尤其是飛秒脈沖)激光所夢寐以求的。除了激光晶體，在被動調Q甚至被動鎖模激光器中，可飽和吸收體也

5、是不可缺少的一部分，現(xiàn)在在被動調Q領域一直處于壟斷地位的是Cr4+∶YAG(Y3Al5O12，簡稱YAG)，但是由于Cr4+取代Al3+離子，在取代的同時需要摻入Ca2+或Mg2+離子對電荷進行補償，這給晶體的生長和應用都帶來了很多的麻煩。本論文從材料制備、基本性質的測試和激光領域的應用三個方面對Nd∶YxGd1-xVO4和Nd：LuxGd1-xVO4系列晶體進行了研究，發(fā)現(xiàn)：相對于單晶，混晶系列晶體具有明顯的能量增強效應。還在釩酸鹽生

6、長的基礎上，針對傳統(tǒng)的可飽和吸收片Cr4+：YAG在制備和應用上固有的缺陷，對新型的可飽和吸收體Cf5+：GdVO4和自調Q材料Nd：Cr：GdVO4進行了初步的探索。其主要工作如下： (一)晶體生長1、采用提拉法(Czochralski)，首次生長了Nd：LuxGd1-xVO4系列晶體并在此基礎上對Nd：YxGd1-xVO4系列晶體進行了生長，得到了高質量的晶體，并對其生長過程進行了系統(tǒng)的研究。 2、介紹了晶體生長的設

7、備及工藝過程，討論了影響晶體質量的因素。其中溫場、純度、參數(shù)的實時監(jiān)控以及退火是最為重要的幾個環(huán)節(jié)。 (二)Nd：LuxGd1-xVO4和Nd：YxGd1-xVO4系列晶體物理性質的研究1、首次對Nd：LuxGd1-xVO4系列晶體的組分和結構的進行了研究，發(fā)現(xiàn)Nd：LuxGd1-xVO4系列晶體都具有鋯石結構，屬于四方晶系。 2、首次對Nd：LuxGd1-xVO4系列晶體的熱學性質和Nd：YxGd1-xVO4晶體的熱導

8、率進行了研究，發(fā)現(xiàn)Nd：LuxGd1-xVO4的熱學性質隨x趨向于0.5而逐漸變差，而Nd：YxGd1-xVO4隨x趨向于0.37逐漸變差。通過對材料常數(shù)的計算，發(fā)現(xiàn)這兩個系列的晶體都適合應用在較高功率泵浦的激光器中。 3、首次對Nd：LuxGd1-xVO4系列晶體的光譜性質進行研究，發(fā)現(xiàn)Nd：LuxGd1-xVO4系列晶體具有偏振吸收和發(fā)射的特性，并具有比單晶更寬的吸收和發(fā)射線寬，我們認為這是由于Nd離子光譜的非均勻加寬引起的

9、。 (三)Nd：LuxGd1-xVO4和Nd：YxGd1-xVO4系列激光晶體連續(xù)激光特性的研究1、首次對Nd：LuxGd1-xVO4系列晶體1.06μm激光進行了理論上的優(yōu)化和實驗上的研究，得到了最大輸出功率為7.4W的激光輸出，并對其有效發(fā)射截面進行了計算，討論了發(fā)射光譜的非均勻加寬、熱導率以及有效發(fā)射截面對連續(xù)激光輸出特性的影響。 2、首次對Nd：LuxGd1-xVO4系列晶體1.34μm激光進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)由

10、于熒光譜線的非均勻加寬和激發(fā)態(tài)吸收的共同作用使得發(fā)射截面隨著x的增加呈現(xiàn)了一定規(guī)律性變化，討論了熱致?lián)p耗、激發(fā)態(tài)吸收以及能量上轉換對連續(xù)激光輸出特性的影響。 3、首次對c切Nd：LuVO4晶體1.06μm的連續(xù)激光特性進行了研究，并與a切Nd：LuVO4晶體的連續(xù)激光特性進行了比較，計算了c切Nd：LuVO4晶體1.06μm波段發(fā)射的有效發(fā)射截面。 4、首次對c切對Nd：YxGd1-xVO4的1.34μm和1.06μm的連續(xù)激光

11、特性進行了研究，并對其發(fā)射截面進行了計算，討論了熱致?lián)p耗和熒光譜線的非均勻加寬對連續(xù)激光輸出特性的研究。 (四)Nd：LuxGd1-xVO4和Nd：YxGd1-xVO4系列晶體調Q激光特性的研究1、首次對a切Nd：LuxGd1-xVO4晶體的調Q激光特性的進行研究，得到了輸出能量為192.5μJ、脈沖寬度為6.2ns以及峰值功率為31.1kW的被動調Q脈沖激光，發(fā)現(xiàn)隨著x趨向于0.5，其被動調Q激光特性逐漸增加，單脈沖能量逐漸增

12、強。 2、首次對c切Nd：YxGd1-xVO4晶體的調Q激光特性的進行研究，得到了輸出能量為201.7μJ，脈沖寬度為6.6ns以及峰值功率為30.6kW的被動調Q脈沖激光，發(fā)現(xiàn)c切Nd：YxGd1-xVO4晶體具有更大的能量存儲能力。 3、首次對c切Nd：LuVO4晶體的調Q激光特性進行研究，得到了輸出能量為84.93μJ、脈沖寬度為12ns以及峰值功率為7.02 kW的被動調Q脈沖激光。 (五)Nd：LuxG

13、d1-xVO4系列(x=1和0.5)晶體鎖模激光特性的研究1、首次以SESAM為可飽和吸收體，對Nd：LuVO4的被動鎖模特性進行了研究，得到了平均輸出功率為3.71W，脈沖寬度為8.8ps的鎖模激光。 2、首次以GaAs作為可飽和吸收體，對Nd：LuVO4的被動鎖模特性進行研究，得到了輸出功率為3.11W，脈沖寬度為7.1ps的鎖模激光。 3、首次以SESAM為可飽和吸收體，對Nd：Lu0.5Gd0.5VO4的被動鎖模

14、特性進行了研究，得到了平均輸出功率為5.53W，脈沖寬度為5.5 ps的鎖模脈沖激光。 4、首次以GaAs作為可飽和吸收體，對Nd：Lu0.5Gd0.5VO4的被動鎖模特性進行了研究，得到了平均輸出功率為2.79W，脈沖寬度為3.9ps的鎖模激光。這是我們所知道的、到目前為止用GaAs鎖模所得到的最短的脈沖。 (六)Cr：GdVO4可飽和吸收和Nd：Cr：GdVO4自調Q激光特性的研究1、合成了GdCrO4的多晶料并首次

15、生長了Cr：GdVO4和Nd：Cr：GdVO4晶體，其尺寸為Φ＞30mm×20mm，重約70g。 2.首次對Cr：GdVO4和Nd：Cr：GdVO4晶體的偏振吸收特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)其π(E//c)偏振在1110 nm處的吸收使得Cr：GdVO4和Nd：Cr：GdVO4具有可飽和吸收和自調Q特性。 3.首次對Cr：GdVO4晶體的可飽和吸收特性進行了研究，得到了輸出功率為122mW、最短脈沖寬度為361ns、最大脈沖能量

16、為0.77μJ的調Q脈沖。 4.首次對Nd：Cr：GdVO4晶體的自調Q特性進行了研究，得到了最大輸出功率為265mW、最短脈沖寬度為230ns、最大脈沖能量為1.12μJ的自調Q脈沖。 通過以上的研究，我們驗證了混晶系列晶體在脈沖激光器中良好的應用前景；發(fā)現(xiàn)在對于Nd：LuxGd1-xVO4和Nd：YxGd1-xVO4，其能量存儲能力分別隨x趨向于0.5和0.37逐漸變大以及其調Q特性逐漸變好；在鎖模激光器的研究中，我