摻銩鋁酸釔晶體Tm：YAP制備與性能研究.pdf

1、2μm波段的光波具有被水強吸收、對人眼安全、可用石英光纖傳輸?shù)葍?yōu)點，在軍事、醫(yī)療和環(huán)境保護中有著廣泛的用途。作為2μm波段激光器的工作物質(zhì)，Tm：YAlO<,3>(Tm：YAP)晶體具有摻雜濃度高、生長速度快、轉(zhuǎn)換效率高、偏振激光輸出等優(yōu)點，是具有應(yīng)用潛力的新型固體激光材料。 本研究圍繞Tm：YAP晶體的生長工藝、缺陷類型及光學(xué)性質(zhì)展開，通過X-射線衍射儀(XRD)、光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)、同步輻射(SRWBT)

2、等分析手段和熱膨脹系數(shù)測量、分光光度計、干涉儀等測試手段，系統(tǒng)研究了Tm：YAP晶體的生長規(guī)律、著色機理、光學(xué)特性等，取得以下主要結(jié)果： 采用中頻感應(yīng)加熱提拉法生長Tm：YAP晶體，研究了摻雜濃度、籽晶取向、拉速和轉(zhuǎn)速對晶體質(zhì)量的影響規(guī)律，消除了晶體生長中出現(xiàn)的開裂、包裹物等缺陷，提出了適合Tm：YAP晶體生長的工藝參數(shù)。成功生長了不同摻雜濃度、不同晶軸取向的Tm：YAP晶體，晶體尺寸為Φ(23～25)mm×(90～110)mm

3、。部分晶體具有較好的結(jié)構(gòu)完整性和光學(xué)質(zhì)量。 對制備的晶體進行XRD分析，確認主相為鈣鈦礦YAP相；測定了Tm<'3+>在YAP晶體中的分凝系數(shù)為0.88，Tm<'3+>沿晶體軸向分布較為均勻。 詳細研究了Tm：YAP晶體的常見缺陷。測量了沿晶體主軸方向的熱膨脹系數(shù)，分別為α<,a>=11.9458×10<'-6>/K，α<,b>=5.0012×10<'-6>/K，α<,c>=10.5439×10<'-6>/K，定量解釋了

4、沿b軸方向生長晶體不易開裂的原因，揭示了引起Tm：YAP晶體開裂的主要原因是熱膨脹系數(shù)的各向異性。 確定了Tm：YAP晶體的腐蝕條件，對不同晶面的位錯腐蝕坑進行了觀察，發(fā)現(xiàn)蝕坑形貌符合晶體的結(jié)構(gòu)對稱性。在沿b軸生長的Tm：YAP晶體的(010)面上發(fā)現(xiàn)了呈十字分布、位錯蝕坑密度不同的區(qū)域，經(jīng)分析是晶體生長過程中徑向應(yīng)力在(101)滑移面上分切應(yīng)力作用的結(jié)果。在沿c軸生長的Tm：YAP晶體中發(fā)現(xiàn)了孿晶及消光現(xiàn)象，為了減少晶體生長過

5、程中孿晶的產(chǎn)生，必須盡量減小溫度梯度。在掃描電鏡下觀察到基體中彌散分布有一些尺度為幾十微米、形狀不規(guī)則的散射顆粒夾雜，EDS分析證實夾雜中含有一定的C元素；此外，還發(fā)現(xiàn)基體中存在形狀規(guī)則的銥顆粒。在摻雜濃度為10at％的Tm：YAP晶體中發(fā)現(xiàn)了小面的存在，經(jīng)XRD分析確認為(110)面。本研究首次采用同步輻射X射線形貌術(shù)對晶體的隱形缺陷進行了觀察。同時，結(jié)合晶體的生長條件分析了缺陷的成因，提出了消除缺陷的工藝措施。 通過對晶體進

6、行退火和γ射線輻照處理，研究了Tm：YAP晶體的著色機理。研究表明晶體生長過程中偏離化學(xué)計量比、雜質(zhì)Fe<'3+>、O<'->心、F<'+>心以及它們之間的耦合組成的缺陷是造成晶體著色的重要原因，為深入研究YAP晶體的色心奠定了基礎(chǔ)。 測定了室溫下不同摻雜濃度、不同取向Tm：YAP晶體的偏振吸收光譜。結(jié)果表明：該晶體在795nm波長附近有較強的吸收峰，對應(yīng)于<'3>H<,6>→<'3>H<,4>的能級躍遷。在檢測范圍內(nèi)，隨著Tm

7、<'3+>摻雜濃度的增加，晶體吸收性能提高。對于α軸偏振方向來說，最強的吸收峰位于794nm，吸收截面為8.64×10<'-21>cm<'2>；而對于b軸和c軸取向淶說，最強的吸收峰均位于793nm，吸收截面分別為9.22×10<'-21>cm<'2>和6.80×10<'-21> cm<'2>。因此，選擇b軸取向的晶體作為激光工作物質(zhì)，可以獲得更高的激光輸出效率。 研究了偏光方向?qū)m：YAP晶體吸收光譜的影響。對π譜來說，最強

8、的吸收峰位于794nm，其吸收截面為7.30×10<'-20>cm<'2>，半高寬FWHM為29nm；而對于α譜，最強的吸收峰位于793nm，其吸收截面為18.30×10<'-20>cm<'2>，F(xiàn)WHM為25nm。與摻銩的其它激光晶體相比，Tm：YAP具有較大的吸收截面和FWHM，適于LD泵浦。 研究了Tm：YAP晶體的熒光光譜。光譜中心波長位于1.86μm，發(fā)射截面為4.5×10<'-21>cm<'2>，相應(yīng)的熒光壽命為4.

9、8 ms，表明該晶體具有較高的儲能特征，有利于獲得低閾值高效率的2μm波段激光輸出。由于存在濃度淬滅效應(yīng)，Tm：YAP中Tm<'3+>的最佳摻雜濃度在4～6at％之間。根據(jù)Judd-Ofelt理論計算了Tm<'3+>在Tm：YAP晶體中的各種光譜參數(shù)。Tm<'3+>離子的唯象強度參數(shù)：O<,2>=0.93×10<'-20> cm<'2>，O<,4>=2.23×10<'-20> cm<'2>，O<,6>=1.12×10<'-20> cm<