Nd：CNGS晶體和Yb：CNGS晶體的生長及激光性能研究.pdf

1、科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展的今天，人們生活離不開科技的進(jìn)步。激光自1960年第一次從紅寶石晶體固體激光器中獲得以來，其單色、相干及高亮度的特點(diǎn)使其在各個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，激光晶體材料作為激光器的核心必然成為人們的研究熱點(diǎn)。為滿足社會發(fā)展及工業(yè)生活等方面的需求，科學(xué)家也相繼開展更深入的研究。
　　Ca3NbGa3Si2O14(CNGS)晶體理化性質(zhì)穩(wěn)定，具有良好的熱學(xué)性質(zhì)和光譜性能，提拉法生長周期短，尺寸大，具備作為激光基質(zhì)材料的特點(diǎn)。為研

2、究該晶體的激光性能，最近課題組生長了一系列的摻釹離子CNGS晶體，并從晶體的生長、結(jié)構(gòu)、熱學(xué)、光學(xué)性質(zhì)以及連續(xù)激光輸出等方面進(jìn)行了研究。結(jié)果表明該晶體在激光方面具有研究價值。此外，CNGS晶體屬于三方晶系，具有非中心對稱性，也預(yù)示著該晶體在激光非線性領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用。由于InGaAs二極管激光器的發(fā)展，性能得到提高，利用該激光器泵浦鐿離子摻雜晶體的研究受到人們的關(guān)注與重視。摻鐿離子晶體具有簡單的準(zhǔn)三能級結(jié)構(gòu)，沒有上轉(zhuǎn)換和高激發(fā)態(tài)吸收，與

3、摻釹離子激光晶體相比較具有明顯的優(yōu)勢，其較寬的發(fā)射光譜，較長的熒光壽命使得這類晶體在脈沖激光性能和可調(diào)諧激光輸出方面表現(xiàn)突出。特別的，通過摻鐿離子晶體進(jìn)行倍頻能夠獲得更多波長的可見波段激光輸出。針對這些問題，本論文生長了Nd∶CNGS晶體和一系列的Yb∶CNGS晶體，系統(tǒng)的研究了晶體生長工藝、晶體結(jié)構(gòu)、熱學(xué)及光譜性能、激光和脈沖激光性能以及激光非線性。本論文的主要研究內(nèi)容為:
　　1.Nd∶CNGS和Yb∶CNGS晶體的生長

4、>　　采用提拉法(Czochralski method)分別生長了Nd∶CNGS和Yb∶CNGS晶體。通過前期在Nd∶CNGS晶體生長經(jīng)驗(yàn)上的積累，以及后期生長工藝的優(yōu)化，得到了更高質(zhì)量更大體積的晶體。本論文中首次生長了Yb∶CNGS晶體，所生長晶體的Yb3+摻雜濃度分別為1at.％，3at.％，5at.％，所摻入的稀土離子取代CNGS晶體中Ca離子格位，鐿離子的半徑比釹離子半徑更小，與鈣離子半徑差別更大，這也是Yb∶CNGS晶體較Nd

5、∶CNGS晶體難于生長的一個原因。本論文詳細(xì)介紹了從多晶料的合成到單晶生長的整個過程，分析了生長原理及生長過程中遇到的問題。描述了所生長晶體的宏觀形態(tài)，對生長過程中晶體表現(xiàn)出的缺陷進(jìn)行了解釋，并提出了避免出現(xiàn)Nd∶CNGS和Yb∶CNGS晶體質(zhì)量缺陷（晶體開裂，絮狀物，附晶等）的方法和技術(shù)。特別的，分析了生長過程中提拉爐腔內(nèi)的氣氛對晶體結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)N2和O2的含量對Yb∶CNGS晶體的顏色變化影響顯著。
　　2.Nd∶CNGS

6、和Yb∶CNGS晶體結(jié)構(gòu)及熱學(xué)性質(zhì)
　　通過對晶體粉末XRPD衍射圖譜進(jìn)行分析，其與CNGS晶體標(biāo)準(zhǔn)卡片中的數(shù)據(jù)吻合，使用Rietveld方法對衍射圖譜進(jìn)行精修，分析了晶體結(jié)構(gòu)。根據(jù)阿基米德原理利用生長的大體塊單晶測得不同摻雜濃度Yb∶CNGS晶體的密度。研究了晶體的熱學(xué)性能，計算了晶體的熱導(dǎo)率。晶體的熱膨脹曲線隨著溫度的升高呈現(xiàn)線性增加趨勢，且熱膨脹各向異性（x，y,z方向）差別不大。因此，在高功率泵浦情況下，該晶體不易因熱膨脹

7、差異而導(dǎo)致晶體開裂。計算得到5at.％Yb∶CNGS晶體沿z向的熱導(dǎo)率為1.82Wm-1K-1。
　　3.Nd∶CNGS和Yb∶CNGS晶體的光譜性質(zhì)
　　CNGS晶體為正單軸晶體。測量了不同摻雜濃度的Nd∶CNGS晶體和Yb∶CNGS晶體在可見和近紅外波段的折射率，為得到某些特定波長的折射率數(shù)值，利用Sellmeier方程對測量的多個波長的折射率數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合得到的曲線與實(shí)驗(yàn)測得折射率數(shù)值吻合良好。測量了Yb∶CNGS

8、晶體在室溫到6K溫度范圍的偏振吸收光譜和偏振熒光光譜。偏振吸收光譜顯示，Yb∶CNGS晶體的吸收峰位于978nm附近，低溫下顯示為非常清楚的雙峰值結(jié)構(gòu)，分別位于977和979nm處。根據(jù)低溫吸收和發(fā)射光譜研究了鐿離子在CNGS晶體中的Stark能級，計算了CNGS晶體的2F7/2和2F5/2能級重心。并和其他常見鐿離子摻雜晶體做了對比。通常的，對稀土離子來說，2S+1LJ多重體的重心和孤立的4fn多重體的重心基本呈線性變化，CNGS符合

9、這一規(guī)律。計算了室溫下的偏振吸收截面，并分別使用倒易算法和Fuchtbauer-Ladenburg公式計算了室溫偏振發(fā)射截面（3at.％Yb∶CNGS晶體），兩種方法計算獲得的發(fā)射截面相近但有一定偏差。3at.％Yb∶CNGS晶體發(fā)射光譜最強(qiáng)峰位于1014nm附近，其中σ偏振發(fā)射截面為0.97×10-20cm2，π偏振發(fā)射截面為0.35×10-20cm2。利用偏振吸收和發(fā)射截面計算了Yb∶CNGS晶體的偏振增益截面。
　　4.Nd

10、∶CNGS晶體的激光與自倍頻性能研究
　　選取激光性能最優(yōu)的0.5at.％Nd∶CNGS晶體，用LD泵浦實(shí)現(xiàn)了1.06μm和1.3μm波段的連續(xù)激光輸出，優(yōu)化激光裝置（腔長，腔鏡，諧振腔及泵浦源）。利用通光長度6mm晶體，輸出鏡透過率為5％，得到4.05W波長1068nm的連續(xù)激光，相比之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，輸出功率提高了近30％。1349nm激光輸出功率為0.59W，是之前實(shí)驗(yàn)結(jié)果的2.3倍。CNGS晶體具有非中心對稱性，能夠?qū)崿F(xiàn)角度

11、相位匹配。利用沿Ⅰ類相位匹配方向和Ⅱ類相位匹配方向切割的晶體，當(dāng)吸收泵浦功率3.95W時，獲得了Nd∶CNGS晶體的自倍頻激光輸出，最高連續(xù)自倍頻綠光輸出功率為72.8mW。實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)腔內(nèi)基頻光較強(qiáng)，相同條件下通過更換腔鏡獲得2W以上基頻激光輸出。結(jié)合該晶體光譜特性的研究發(fā)現(xiàn)，該晶體發(fā)射截面適中（介于NYAB和Nd∶YCOB晶體之間），能夠?qū)崿F(xiàn)較強(qiáng)的激光發(fā)射，熒光壽命256微秒，具有頗強(qiáng)的能量存儲能力且有利于實(shí)現(xiàn)高能量高峰值功率的脈

12、沖激光輸出。綜合這些特點(diǎn)，進(jìn)行了Nd∶CNGS晶體被動調(diào)Q自倍頻激光實(shí)驗(yàn)，LD泵浦功率為3W時，脈沖自倍頻綠光平均輸出功率為16.2mW，相對應(yīng)的脈寬為13.7ns，脈沖重復(fù)頻率2.25kHz，單脈沖能量7.2μJ，峰值功率分別0.53kW。利用速率方程擬合自倍頻被動調(diào)Q的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，獲得理論值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。
　　5.Yb∶CNGS晶體的激光和自倍頻性能研究
　　系統(tǒng)研究了1at.％，3at.％，5at.％三種不同鐿離子

13、摻雜濃度的Yb∶CNGS晶體的連續(xù)激光輸出性能。首先，利用5at.％晶體進(jìn)行了連續(xù)激光實(shí)驗(yàn)和自倍頻性能研究。采用LD泵浦源中心波長978nm進(jìn)行泵浦，得到最高7.27W輸出功率，斜效率78％，發(fā)射波長1062-1068nm，這是目前所知的硅酸鎵鑭構(gòu)型(Langasite-type)晶體獲得的最高連續(xù)激光輸出功率。此外，在相同條件下分別測量了通光長度為3mm、4mm、6mm的不同鐿離子摻雜濃度CNGS晶體的三種切型（x切，y切，z切）的連

14、續(xù)激光輸出。相同實(shí)驗(yàn)條件下，1at.％，3×3×3mm3晶體激光輸出斜效率最高，為84％。3at.％晶體斜效率也達(dá)到80％，3mm和4mm兩種尺寸的晶體分別實(shí)現(xiàn)3.16W和4.55W的連續(xù)激光輸出。5at.％晶體4mm尺寸樣品連續(xù)激光輸出效果最好。通過對該晶體的光譜性能研究，尤其是低溫吸收光譜的研究發(fā)現(xiàn)，該晶體的吸收峰呈現(xiàn)雙峰形態(tài)，最強(qiáng)吸收峰分別位于976.6nm和979.3nm位置。利用體布拉格光柵(VBG)鎖定波長激光器，激光輸出波

15、長976nm，測試了所有樣品的激光性能，通光長度4mm的3at.％Yb∶CNGS晶體的a切和c切樣品分別獲得7.29W和7.61W的連續(xù)激光輸出。
　　在優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)條件下，通過在諧振腔內(nèi)插入Cr∶YAG和V∶YAG晶體，研究了Yb∶CNGS晶體的被動調(diào)Q激光性能。使用Cr∶YAG晶體，獲得重復(fù)頻率22.5kHz，脈沖寬度4.4ns，單脈沖能量為62.2μJ的穩(wěn)定脈沖。在1015.3nm處的平均輸出功率為1.40W，對應(yīng)于90％的