周期极化基质材料钽酸锂/铌酸锂类晶体生长与性质研究

摘要

激光显示具有高亮度、宽色域、高对比度和长寿命等优点，代表着显示技术的发展方向。以三基色（红绿蓝）全固态激光器为光源的激光显示是当今新型显示领域研究的热点。目前红色和蓝色激光光源一般采用半导体激光器，而大功率绿光半导体激光器技术尚不成熟，因而采用了基于非线性频率变换技术的固态激光器。基于准相位匹配的周期极化铌（钽）酸锂类晶体，由于其非常高的非线性效率、体积小、易于实现热管理及容易实现产业化等优点，是用于绿色全固态激光器有重要应用前景的非线性器件。铌（钽）酸锂晶体，三方晶系，3m点群，晶体结构以铌（钽）氧八面体和锂氧四面体为主体，在居里温度以下铌（钽）、锂阳离子与阴离子中心在主轴方向上有位移，形成自发极化，利用周期计划技术，可以制备出满足准位相匹配的要求的周期极化铌（钽）酸锂晶体。同成分铌（钽）酸锂晶体内部本征缺陷密度大，影响晶体的物理性能。生长掺镁铌（钽）酸锂晶体(MgO∶LN/LT)和近化学计量比铌（钽）酸锂晶体(SLN/SLT)是两个非常有效的改进晶体性能的途径。而掺镁近化学计量比铌（钽）酸锂晶体（MgO∶SLN/MgO∶SLT）理论上综合了两种改进方案，是性能最优越的铌（钽）酸锂类晶体。
　　另外，通过非线性光学技术，拓展激光波长，获得更加丰富的光谱范围越来越受到国际上的重视。采用基于准相位匹配技术的周期极化钽酸锂晶体，通过光参量振荡过程可以实现3-5μm波段的中红外连续可调谐激光输出。由于SLT和MgO∶SLT的矫顽场低且抗光伤阈值高，可以实现Z方向较大厚度(3mm)的铁电畴周期反转，使通光孔径最大化，增加中红外激光输出功率，满足更广泛的应用需求。然而目前SLT和MgO∶SLT晶体材料的缺乏严重限制了其在这方面应用研究的发展。
　　将多种功能复合，在一种晶体上同时实现不同的物理过程，是实现激光器件小型化的重要途径。将周期极化铌酸锂/钽酸锂的自倍频性质与激光激活粒子的相结合，形成的基于稀土的激光性能与非线性晶体耦合效应的自倍频和自泵浦光参量振荡，是实现激光器小型化的重要方向。而生长出高质量的稀土与镁共掺的铌（钽）酸锂晶体是推进这项研究的先决条件。
　　基于以上激光领域研究的材料需求和本课题组的研究基础，本论文在铌（钽）酸锂类晶体的生长和性能研究方面开展了以下工作:
　　1)液相合成掺镁的近化学计量比钽酸锂多晶料批量制备技术。利用水热法和有机酸的络合作用合成含Ta、Li和Mg等元素的透明前驱体溶液，使所有元素在溶液中达到了原子级均匀混合，消除了固相反应法合成的多晶料中镁元素分布不均匀的问题，促进MgO∶SLT晶体生长质量的改进。将新的合成方法所得的掺镁钽酸锂多晶料与传统固相反应法合成的多晶料进行了对比研究:XRD物相分析证明了新工艺在煅烧温度上的优势;扫描电镜和透射电镜及定点元素扫描分析发现固相反应合成掺杂多晶料中掺杂元素分布不均匀;XPS能谱证明了液相法合成的多晶料，镁元素均匀掺入钽酸锂晶格中，消除了+4价的反位钽缺陷。
　　2)利用提拉法生长了SLT晶体，并发现了由于多晶料烧结不充分导致锂元素挥发的证据。利用液相法合成的多晶料，生长了MgO∶SLT晶体。对比研究了CLT，MgO∶CLT，SLT和MgO∶SLT晶体的基本物理性质，讨论Li/Ta计量比和镁掺杂对钽酸锂晶体光学、电学和热学性质的调控机制。
　　3)生长了高掺镁的镁钕双掺Nd∶MgO∶CLT晶体。利用CGSim软件进行数值模拟，理论与实验相结合，确定了生长钽酸锂晶体的合适温场。利用X射线荧光元素分析测试了Nd∶MgO∶CLT晶体内的Nd离子和Mg离子的浓度，并计算出其分凝系数。利用变温XRD研究了Nd∶MgO∶CLT晶体结构随温度的变化规律，发现钽酸锂晶体的与掺杂离子位置非常靠近的几个特殊晶面受掺杂离子的影响有畸变。利用GSAS软件精修系列变温XRD曲线，获得LT晶格常数的温度依赖性。利用激光热导仪测量了Nd∶MgO∶CLT晶体的热导率值，ka=4.429W/(m·K)，kc=5.155W/(m·K)。Nd∶MgO∶CLT晶体的偏振吸收谱和发射谱均具有明显分裂现象，σ偏振的吸收峰半峰宽比π偏振的宽。研究了两种切型的Nd∶MgO∶CLT晶体样品的连续激光性能，c切晶体的激光性能优于a切晶体，实现了最高输出功率3.58W的连续激光输出，光光转化效率达到22.78％。
　　4)利用JPG自等径控制系统生长了3英寸掺钕浓度0.8mol％的Nd∶CLN、掺钕浓度0.5mol％和镁浓度5mol％的Nd∶MgO∶CLN等晶体。利用XRD研究了Nd∶CLN和Nd∶MgO∶CLN等晶体的结构，并利用FULLPROF软件精修XRD曲线，得到掺杂离子占位对铌酸锂晶格常数的影响规律。利用最小偏向角法测量了掺钕0.5mol％的Nd∶MgO∶CLN晶体的不同波长的折射率，并通过最小二乘法拟合曲线，得到了Nd∶MgO∶CLN晶体的Sellmeier方程。对比研究了不同切型（a切和c切）的Nd∶MgO∶CLN晶体样品的连续激光性能，并用两种不同透过率的输出镜，研究了不同谐振腔对a切晶体样品的连续激光性能的影响。采用本文生长的Nd∶MgO∶CLN晶体，利用外加电场法得到了结构均一的周期极化的Nd∶MgO∶CLN晶片，并利用PPNd∶MgO∶CLN晶片首次获得了80mW的单色光自倍频绿光，中心波长为542nm。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

§1．1 引言

§1．2 全固态激光器

§1．3 红绿蓝三原色激光器

§1．4 近化学计量比和掺镁近化学计量比钽酸锂晶体的研究进展

§1．5 多功能复合晶体的发展

§1．6 本论文工作

参考文献

第二章 液相法合成掺镁均匀的近化学计量比钽酸锂多晶料

§2．1 引言

§2．2 多晶料合成

§2．2．1 固相反应法

§2．2．2 液相法

§2．2．3 MgO：SLT前躯体热学分析

§2．3 多晶料测试表征

§2．3．1 物相分析

§2．3．2 粉体形貌表征

§2．3．3 电感耦合等离子光谱测试(ICP-AES)

§2．3．4 X射线光电子能谱(XPS)

§2．4 本章小结

参考文献

第三章 近化学计量比和掺镁近化学计量比钽酸锂晶体生长与性质研究

§3．1 引言

§3．2 SLT和MgO：SLT晶体的生长

§3．2．1 多晶料的合成

§3．2．2 晶体生长过程

§3．2．3 晶体后处理

§3．3 晶体性质研究

§3．3．1 晶体紫外-可见透过光谱

§3．3．2 电滞回线

§3．3．3 晶体热学性质

§3．4 本章小结

参考文献

第四章 钕镁共掺钽酸锂晶体生长与性质研究

§4．1 引言

§4．2 晶体生长

§4．2．1 多晶料制备

§4．2．2 晶体生长

§4．3 Nd：MgO：CLT晶体组分分析

§4．4 Nd：MgO：CLT晶体结构分析

§4．4．1 变温粉末X射线衍射(XRD)

§4．4．2 高分辨X射线单晶衍射

§4．5 晶体热学性质

§4．5．1 居里温度

§4．5．2 热膨胀——热机械分析仪测试和变温粉末XRD拟合

§4．5．3 热扩散、比热和热导率

§4．6 晶体光学性质

§4．6．1 Nd：MgO：CLT晶体的偏振吸收光谱

§4．6．2 Nd：MgO：CLT晶体偏振发射光谱

§4．6．3 Nd：MgO：CLT晶体荧光寿命

§4．7 晶体连续激光性能研究

§4．8 小结

参考文献

第五章 3英寸镁钕共掺铌酸锂晶体生长及其自倍频激光研究

§5．1 引言

§5．2 三英寸Nd：MgO：LN晶体的生长

§5．2．1 多晶料的制备

§5．2．2 晶体生长

§5．3 晶体的结构分析

§5．3．1 粉末X射线衍射(XRD)

§5．3．2 利用FULLPROF精修拟合XRD数据

§5．5 晶体的光学性质

§5．5．1 紫外可见吸收光谱

§5．5．2 荧光光谱

§5．5．3 折射率

§5．6 Nd：MgO：CLN晶体的连续激光研究

§5．6．1 两种不同切型的晶体样品连续激光输出对比

§5．6．2 a-切的晶体样品不同谐振腔的连续激光输出对比

§5．7 Nd：MgO：CLN晶体自倍频应用研究

§5．7．1 Nd：MgO：CLN晶体的周期极化处理过程

§5．7．2 PPNd：MgO：LN的自倍频实验

§5．8 本章小结

参考文献

第六章 总结

§6．1 结论

§6．2 创新点

攻读学位期间发表的论文

攻读学位期间获得奖项

致谢

附录