掺钕铝酸钆钇和掺镱铝酸钆钇激光晶体生长及性能研究

摘要

超快飞秒激光具有高时间分辨率、高峰值功率、低热效应等特性，在精密加工、显微成像、光通信等领域得到了广泛应用。随着激光二极管的快速发展，LD泵浦的全固态激光器产生超短脉冲激光逐渐成为最理想的方式之一。激光增益基质作为激光器的核心部位，要实现超快飞秒级激光运转，需要激光增益材料同时具有宽发射光谱、高的热导率和高的发射截面等特性。在新材料研究中，将Gd3+离子掺入到YAP激光晶体中形成一种新的混晶GYAP晶体，以提高晶体的无序度，可以使得掺入该晶体的激活离子的吸收光谱和荧光光谱非均匀展宽，有利于实现超快激光运转。本文以Nd:GYAP和Yb:GYAP晶体作为研究对象，对其生长工艺和光谱性能进行了详细研究，并进行了初步激光实验，全面评价了Nd:GYAP和Yb:GYAP晶体作为固体超快激光晶体的可能性。　　本文主要研究内容及成果如下：　　1.第一章介绍超快固体激光器的发展现状，简要阐述几种常见的宽带激光晶体的优缺点，提出了LD泵浦掺钕和掺镱的超快固体增益材料的研究必要性，指出了本文选择GYAP晶体作为研究对象的依据。　　2.详细介绍了GYAP晶体的生长原理与工艺，系统讨论了影响晶体质量的几个工艺因素，并以纯度99.999%的Al2O3、Y2O3、Gd2O3作为原料，采用提拉法成功生长了高质量的GYAP单晶；对生长的GYAP晶体结构进行XRD测试表征，其晶体结构与YAP晶体结构相同，空间群同为Pnma，在生长及降温过程中未发生结构相变。　　3.采用提拉法成功生长了Nd:GYAP晶体，研究了晶体的吸收光谱，通过Judd-Ofelt理论分析了Nd:GYAP晶体的J-O强度参数、自发辐射寿命、自发辐射几率等，Nd:GYAP晶体的J-O强度参数为Ω2=0.85×10-20cm2，Ω4=3.71×10-20cm2，Ω6=4.13×10-20cm2。测量了Nd:GYAP晶体的荧光光谱，在1079nm处发射峰的发射截面为9.02×10-20cm2，半峰宽达46nm，相应的4F3/2能级寿命为189.5μs。对比其他Nd3+离子掺杂的晶体，Nd:GYAP晶体具有宽的发射带宽和较高的发射截面，有利于实现超快激光输出。同时对Nd:GYAP晶体进行了激光实验，采用b切Nd:GYAP晶体在1.08μm谱线处获得连续激光输出，在吸收功率为7.03W时，最大输出功率可达2.12W，相应斜率效率为34%。　　4.采用提拉法成功生长了Yb:GYAP晶体，对该晶体的光谱特性了进行系统分析。在室温中测得Yb:GYAP位于959nm处吸收峰的吸收截面为1.09×10-20cm2，适合用InGaAs激光二极管泵浦。Yb:GYAP晶体的主要发射带位于950-1100nm处，对应于Yb3+离子2F5/2→2F7/2能级之间的跃迁，在1051nm处算得发射截面为1.18×10-20cm2，其发射截面与Yb:YAP(0.6×10-20cm2)、Yb:LuVO4(1.0×10-20cm2)及Yb:CGA(0.75×10-20cm2)相比有着一定的优势，而且Yb:GYAP晶体2F5/2能级寿命达1.638ms。同时对Yb:GYAP晶体进行了激光实验，利用b切Yb:GYAP晶体在1μm谱线处获得连续激光输出，在吸收功率为5.82W时，最大输出功率可达0.51W，相应斜率效率为23.5%。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1超快固体激光器发展概述

1.2用于产生超快激光的固体增益介质

1.2.1掺钛蓝宝石(Ti: sapphire)激光晶体

1.2.2掺铬离子的激光晶体

1.2.3用于产生超快激光的掺钕晶体

1.2.4用于产生超快激光的掺镱晶体

1.3铝酸盐激光增益介质

1.4本论文的选题依据和研究内容

1.4.1本论文的选题依据

1.4.2本论文的研究内容

第二章 GYAP单晶的生长方法与性能表征手段

2.1 GYAP晶体的生长原理和制备方法

2.1.1 GYAP晶体生长方法及生长设备

2.1.2 GYAP晶体的生长过程

2.1.3影响GYAP晶体生长的因素

2.2晶体的表征方法及理论计算

2.2.1 X射线粉末衍射

2.2.2吸收光谱与吸收截面

2.2.3荧光光谱与发射截面

2.2.4 ICP-AES成分分析

2.2.5 Judd-Ofelt理论分析

第三章 钕掺杂GYAP晶体的制备与性能研究

3.1晶体生长

3.2 XRD与稀土离子掺杂浓度分析

3.3吸收光谱及Judd-Ofelt理论分析

3.4荧光光谱和发射截面分析

3.5 Nd: GYAP晶体激光实验研究

3.6本章小结

第四章 镱掺杂GYAP晶体的制备与性能研究

4.1晶体生长

4.2 XRD与稀土离子掺杂浓度分析

4.3吸收光谱和吸收截面分析

4.4荧光光谱和发射截面分析

4.5 Yb: GYAP晶体激光实验研究

4.6本章小结

第五章 结论与建议

参考文献

研究生期间获得的主要成果

致谢