掺钕硅酸镓镧(Nd∶LGS)晶体生长及其性质研究

摘要

目前激光技术的发展日新月异，激光在众多领域中的应用越来越重要。实际上，激光器是一个振荡器，利用受激辐射实现光的振荡，产生相干光。由于将半导体和固体激光器相结合，激光二极管(LD)泵浦的固体激光器(DPSSL)将两者的优点结合到一起，具有体积小、寿命长、全固化、泵浦效率高、输出稳定等优点，被广泛应用于军事、医疗、光通讯、材料加工、激光测距和激光核聚变等领域，已经成为目前激光器件的研究热点之一。
　　 激光工作物质作为DPSSL的重要组成部分是设计全固态激光器的关键因素，其物理和光谱性质决定着激光器的性能及其应用价值，因而，探索性能优异的激光材料成为全固态激光器领域的研究热点之一。晶体材料具有良好的光学、热学、机械以及物化等性能，因此在激光器的应用中一直占据着统治地位。在各种晶体生长方法中，提拉法因具有易观察、生长周期短、可控性好等优点，成为晶体制备的首选方法。1983年，A.A.Kaminskii等报道了一系列不同取代组分(La1-xNdx)3Ga5SiO14(x=0.0001～1)晶体的生长。Nd3+:LGS属于无序激光晶体，具有较低的阈值以及宽的吸收谱带和发射谱带，适合用作激光增益介质，随后Kaminskii等实现了该晶体LD泵浦连续激光输出，但获得的功率仅为30mW。LGS晶体也是一种用途广泛的材料，它具有优异的压电、电光性能。从20世纪80年代首次报道至今，Nd:LGS激光晶体的研究一直为人们所关注。近来Nd:LGS晶体的1.061μm激光输出也取得了一定的突破，得到了最大功率2.25W的连续激光输出。以往人们的研究集中在某一特定的高浓度掺杂晶体的性能方面，但是高掺杂浓度的晶体，由于晶格畸变，难以得到高质量的单晶；并且浓度过高时，存在严重的热效应，难以实现高泵浦功率下应用；由于自吸收严重，也难以实现准三能级激光输出。对于Nd:LGS激光研究方面，尤其是LD泵浦激光方面，只是集中于z方向切割的晶体，但是其为三方晶系，其x或y方向切割的晶体为偏振输出。此外，探索Nd:LGS晶体自调Q激光输出也将是一项有意义的工作。以上工作都需要有更大尺寸和高质量的单晶。但到目前为止，还未有相关方面工作的报道。本论文对其晶体生长、结构、质量表征、热学性质、光谱性质以及激光性能等进行了系统研究，主要包括以下几个方面的工作：
　　 一、晶体生长
　　 1.介绍了Nd:LGS晶体的生长设备及工艺，系统讨论了在晶体生长过程中影响晶体生长质量的主要因素。其中建立合适的温场是生长高质量单晶的前提，控制合适的生长工艺参数是晶体生长的关键；合适的原料配比、优质的籽晶以及退火处理等也是其中重要的环节。
　　 2.在生长光学级LGS晶体的基础上，优化设计了温场，建立了适宜Nd:LGS晶体生长的温场系统。以纯度为99.99％的La2O3，Nd2O3和SiO2与99.999％的Ga2O3通过固相反应合成出晶体生长所需要的多晶料。通过控制适宜的生长工艺参数，利用提拉法成功生长出了高质量、大尺寸的Nd:LGS晶体，并对其生长过程进行了系统地研究，掌握了生长高质量Nd:LGS晶体的生长条件。
　　 二、 Nd:LGS晶体的结构与质量表征
　　 1.X射线衍射数据表明，所生长的4种掺杂浓度的晶体结晶质量良好。经过晶胞参数计算表明，Nd:LGS晶体晶格常数与LGS晶体相比变化非常小。高分辨X射线实验和锥光干涉实验也进一步表征了所生长的晶体的质量，结果表明所生长的晶体结晶性和光学均匀性都较好。
　　 2.X射线荧光测试，确定了Nd3+的掺杂浓度及其分凝系数。测定了晶体中各个元素的含量，证明了Nd3+离子掺杂后取代La3+离子在晶体中的位置，所生长的晶体为同成分化合物，质量较好。
　　 三、 Nd:LGS晶体物理性质的研究
　　 1.进行了吸收光谱测试分析，晶体的吸收峰强度随着Nd掺杂浓度的降低而减小，低浓度掺杂虽能提高晶体质量，但是也降低了晶体对泵浦光的吸收效率。荧光光谱表明晶体在904nm处荧光强度较大，有可能实现该波长的激光输出。利用J-O理论计算了晶体的相关吸收和发射参数，晶体在588nm和808nm附近有较大的吸收截面，且吸收截面的数值随着掺杂浓度的升高而增大。掺杂浓度为0.3at％，0.5at％,lat％Nd:LGS晶体的4F能级的荧光寿命分别为116.8μs、111μs和102.5μs，荧光寿命随着掺杂浓度的升高而降低；在1.06μm处具有较大的荧光分支比，且也随着掺杂浓度的升高而降低，其受激辐射截面计算为1.405×10-19cm2。
　　 2.实验测量的Nd:LGS晶体密度与LGS晶体密度相当，变化非常小。比热实验结果表明，Nd:LGS比热高于LGS，不同浓度下比热变化很小。在测试温度范围内，晶体的比热略有增大。
　　 3.热机械分析测量了Nd:LGS晶体的热膨胀系数，不同浓度的a11和a33变化不大，但是Nd:LGS的all略高于LGS晶体的a11值。
　　 4.通过激光脉冲法测量了晶体的热扩散性质，并计算了晶体的热导率。结果表明，随着Nd掺杂浓度的提高，热导率逐渐增大，但是变化微小。Nd:LGS晶体的热导率介于钒酸盐和Nd玻璃之间，适合应用于中等功率的激光器。
　　 四、Nd:LGS晶体激光性能研究
　　 1.以Ti:Al2O3激光器为泵浦源，对0.15at％的Nd:LGS晶体进行了激光实验。首次实现了906nm连续激光输出，最大功率达到18mW。
　　 2.利用Z切0.3at％和0.15at％浓度晶体在1.06μm谱线处获得了较大功率连续激光输出，最大输出功率分别为2.23W和0.47W，光光转化效率分别为13％和8.5％，相应斜效率分别为13.9％和4.4％。首次实现了X切0.3at％浓度晶体1.06μm连续波激光输出，最大功率为1.12W，光光转化效率为8.5％，斜效率为9.7％。

目录

文摘

英文文摘

CONTENTS

第一章 绪论

§1.1 引言

§1.2 激光晶体及其发展

§1.3 全固态激光器

§1.4 掺钕硅酸镓镧(Nd3+：LGS)晶体研究概况

§1.5 本论文研究内容

§1.6 参考文献

第二章 晶体生长

§2.1 引言

§2.2 生长方法及装置

§2.2.1 提拉法生长

§2.2.2 生长装置

§2.3 晶体生长

§2.3.1 多晶料合成

§2.3.2 晶体生长

§2.3.3 晶体的退火

§2.4 影响晶体生长的因素

§2.4.1 原料的纯度及预处理

§2.4.2 籽晶的影响

§2.4.3 温场的影响

§2.4.4 生长工艺参数的影响

§2.5 本章小结

§2.6 参考文献

第三章 Nd:LGS晶体结构与质量表征

§3.1 引言

§3.2 Nd:LGS晶体的结构分析(XRD)

§3.3 Nd:LGS晶体的元素分析

§3.4 Nd:LGS晶体的摇摆曲线

§3.5 Nd:LGS晶体的锥光干涉

§3.6本章小结

§3.7 参考文献

第四章 Nd:LGS晶体的基本物理性质

§4.1 引言

§4.2 光谱性质

§4.2.1 吸收光谱

§4.2.2 荧光光谱

§4.3 密度

§4.4 晶体的热学性质

§4.4.1 热膨胀

§4.4.2 比热

§4.4.3 热扩散

§4.4.4 热导率

§4.5 本章小结

§4.6 参考文献

第五章 激光性能研究

§5.1 引言

§5.2 906nm连续激光输出

§5.3 1.06μm连续激光输出

§5.4 本章小结

§5.5 参考文献

第六章 结论及有待进一步开展的工作

§6.1 主要结论

§6.2 主要创新点

§6.3 有待进一步开展的工作

致谢

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