Nd：YSAG单晶的结构、光谱和激光性能

摘要

Nd∶YAG晶体是当前应用最广泛的激光工作物质，是高功率固体激光的首选激光工作介质，其有着高效率、低阈值、热学和机械性能优良等优点。但Nd3+离子在YAG中的有效分凝系数仅为0.2，在制备大体积高均匀性激光工作物质时成为重要的制约因素;同时该晶体的抗辐射性能也很差，影响了其在空间激光中的应用，另外Nd3+离子在高掺杂时会引起激光效率降低，且荧光谱线较窄，难以实现皮秒激光输出。在YAG晶体中通过Sc3+离子部分取代Al3+离子，可提高Nd3+离子的有效分凝系数，缓解高掺杂时的浓度猝灭，且仍能保持优良的激光性能。因此，本文以Nd∶YSAG晶体为研究对象，研究了它的晶体生长工艺，检测了晶体质量，测定了它的分凝系数及晶体结构，研究了它在γ射线辐照前后的光谱和激光特性，主要结果如下:1)初步获得了Nd∶YSAG晶体的生长工艺，制备了(φ)30mm×60mm的(1.55at.％)Nd∶YSAG晶体，X射线摇摆曲线半高全宽0.05°，结晶完整性较好;Nd3+离子在YSAG中的有效分凝系数为0.35，较在YAG中的0.2更有利于生长高均匀性大尺寸激光晶体。
　　2)用Rietveld精修方法给出了Nd∶YSAG的结构数据。Nd∶YSAG属空间群Ia(3)d，晶格参数a=12.2582(A)，Nd和Y占据Wyckoff位置24c，Sc、Al、O原子分别占据Wyckoff位置16a、24d、96h，O原子分数坐标为(0.0302，0.0512，0.6564)。
　　3)研究了Nd∶YSAG晶体吸收和发光性能，Nd∶YSAG在808.9nm吸收最强，吸收截面为1.176×10-19cm2，FWHM为2.8nm;它的跃迁强度参数Ω2、Ω4、Ω6=0.314×10-20cm2、3.78×10-20cm2、4.27×10-20cm2，来自于4F3/2→4I11/2、4I9/2的最强发射峰为1059nm、942.6nm，发射截面分别为1.1×10-19cm2、2.21×10-20cm2，比相应的Nd∶YAG的跃迁在1064nm、946nm的发射截面0.98×10-19cm2、2.07×10-20cm2略高，表明Nd∶YSAG具有和Nd∶YAG相当或略好的激光性能。
　　4)通过LD泵浦，在2mm×2mm×6mm的(1.55at.％)Nd∶YSAG晶体中实现了激光输出，激光阈值为0.85W，斜效率为21.1％，获得了最高1.1W的激光输出。
　　5)在10Mradγ射线辐照后，Nd∶YSAG在900nm～1500nm波段产生的额外吸收损耗非常小，约为10-2cm-1数量级，在808nmLD泵浦光处产生的额外吸收损耗约为0.15cm-1，4F3/2能级寿命由辐照前的233μs变为225μs，辐照前的激光输出斜效率为18.6％，辐照后激光输出斜效率为18.0％。在这一辐照剂量下，Nd∶YSAG的激光输出的稳定性优于Nd∶YAG。
　　结果表明Nd∶YSAG的激光性能和Nd∶YAG相近，但更大的有效分凝系数更有利于制备高均匀性大尺寸激光晶体元件，同时在10Mrad的γ射线辐照后激光性能稳定，初步表明该晶体具有一定的抗辐照性能。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 Nd∶YAG晶体的简介

1．3 Nd∶YSAG晶体的研究状况

1．4 Nd∶YSAG晶体研究方法及本文工作

第2章 晶体生长

2．1 晶体生长的基本原理

2．2 提拉法晶体生长技术

2．2．1 提拉法生长晶体的过程

2．2．2 提拉法生长晶体的工艺问题

2．2．3 提拉法的优缺点

2．3．1 生长装置

2．3．2 原料制备和晶体生长

2．3．3 提拉法生长晶体的影响因素与控制方法

2．4 本章小结

第3章 晶体结构表征和分凝系数

3．1 晶体分凝系数的测定与计算

3．2 晶体的摇摆曲线

3．3 X射线衍射分析

3．4 Rietveld全谱拟合

3．5 本章小结

第4章 Nd3+的透过谱以及光谱参数

4．1 Nd3+掺杂激光晶体

4．2 Judd-Ofelt理论

4．3 透过谱及光谱参数

4．4 本章小结

第5章 Nd∶YSAG晶体光学性质和激光实验

5．1．1 Nd∶YSAG晶体荧光光谱

5．1．2 Nd∶YSAG晶体发射截面

5．1．3 Nd∶YSAG晶体的荧光寿命

5．2 Nd∶YSAG激光实验

5．2．1 实验条件

5．2．2 LD泵浦激光数据分析

5．3 本章小结

第6章 Nd∶YSAG的抗辐照性能

6．1 实验方法

6．2 实验结果及分析

6．3 本章总结

第7章 总结与展望

7．1 全文总结

7．2 存在的问题和展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果