功能晶體Nd：LuVO-,4-和BaWO-,4-的特性研究.pdf

1、激光二極管(LD)泵浦的固體激光器具有效率高、體積小、輸出穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)和成本低等優(yōu)點(diǎn)，在光信息存儲(chǔ)、光纖通信、海底探測(cè)、激光打印、醫(yī)療等領(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)用前景。因此，探索更多適用于這種激光器的光學(xué)晶體一直是材料領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。近年來(lái)，激光二極管泵浦的稀土激光晶體由于有著優(yōu)良的激光特性受到了人們的極大關(guān)注。其中，Nd：YVO<,4>、Nd：GdVO<,4>等釩酸鹽系列晶體己廣泛應(yīng)用于中小型激光器上。除LaVO<,4>晶體以外，所有的

2、釩酸鹽晶體都為鋯石類(lèi)結(jié)構(gòu)，四方晶系，空間群為I4<,1>/amd。稀土離子進(jìn)入釩酸鹽晶體中位置群變?yōu)镈<,2d>，由于在晶場(chǎng)中離子不處于對(duì)稱(chēng)中心位置因此可產(chǎn)生產(chǎn)f→f躍遷而發(fā)光。 與Nd：YVO<,4>晶體相比，Nd：LuVO<,4>晶體具有優(yōu)良的激光、物理和化學(xué)性質(zhì)，是理想的激光介質(zhì)。大量實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在許多情況下，LuVO<,4>比YVO<,4>更適合作為激光晶體的基質(zhì)材料。因此，Nd：LuVO<,4>晶體在近幾年得到了廣泛關(guān)注

3、。對(duì)一種新的激光晶體材料來(lái)說(shuō)，除了優(yōu)良的激光特性，它的熱機(jī)械特性(如熱膨脹、熱切削性等)、熱力學(xué)特性(如熱容量、熱擴(kuò)散、熱導(dǎo)率等)以及光譜學(xué)特性(如晶格振動(dòng)、光譜參數(shù)、吸收和熒光光譜等)也非常重要的。目前對(duì)這幾方面的研究較少，因此本論文對(duì)此進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。 在探索新的激光晶體的同時(shí)，拉曼激光晶體的研究工作也是一個(gè)熱點(diǎn)。一般說(shuō)來(lái)研究新波長(zhǎng)的激光有兩個(gè)方向：一是開(kāi)發(fā)新型的激光晶體：二是借助非線性介質(zhì)對(duì)已有的波長(zhǎng)進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換。激光拉

4、曼技術(shù)適合對(duì)高功率的脈沖激光進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換，具有轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，尤其是隨著調(diào)Q、鎖模技術(shù)的不斷成熟，這種技術(shù)將成為激光頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。拉曼激光介質(zhì)是拉曼激光器進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換的核心部分，其性能直接影響拉曼激光的轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)、光束質(zhì)量、轉(zhuǎn)換效率等。晶體材料作為拉曼激光介質(zhì)有著氣體、液體等材料無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，尤其是在作為激光二極管(LD)泵浦的全固態(tài)拉曼激光器介質(zhì)方面有著非常巨大的發(fā)展?jié)摿?。因此，研究高質(zhì)量的拉曼激光晶體

5、是拉曼激光器發(fā)展的關(guān)鍵所在。 BaWO<,4>晶體是一種優(yōu)良的拉曼激光晶體，與目前廣泛研究的Ba(NO<,3>)<,2>晶體相比較具有透光波段寬、熱機(jī)械性能優(yōu)良、不潮解等優(yōu)點(diǎn)。拉曼光譜測(cè)試結(jié)果表明，其振動(dòng)模最高頻率為925cm<'-1>，譜線具有高的峰值強(qiáng)度和積分強(qiáng)度，不論用納秒脈沖激光還是皮秒脈沖激光泵浦都可以獲得較高的拉曼增益。目前對(duì)于適合于拉曼激光技術(shù)的大尺寸、高質(zhì)量：BaWO<,4>晶體的生長(zhǎng)和物性機(jī)理研究還不全面。本論

6、文對(duì)Nd：LuVO<,4>晶體和BaWO<,4>晶體的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、光譜和熱特性方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并探索了它們作為激光介質(zhì)在全固態(tài)激光器中的應(yīng)用，主要包括以下幾方面的工作： 一、根據(jù)空間群理論計(jì)算并分析了Nd：LuVO<,4>晶體的晶格振動(dòng)模。利用拉曼散射的手段全面報(bào)道了該晶體不同幾何配置下的晶格振動(dòng)譜，取得了與理論分析相一致的結(jié)果。該晶體的拉曼振動(dòng)峰主要是由于VO<,4>四面體的伸縮和彎曲振動(dòng)而產(chǎn)生，最高振動(dòng)頻率903cm,

7、<'-1>，對(duì)應(yīng)于VO<,4>四面體的對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同配置的譜線中重復(fù)出現(xiàn)的峰較多，分析認(rèn)為這是由于該晶體強(qiáng)烈的雙折射效應(yīng)造成的。報(bào)道了Nd：LuVO<,4>晶體在室溫至1400K溫度范圍內(nèi)拉曼峰隨溫度的變化情況，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，拉曼峰變寬并向低波數(shù)移動(dòng)。拉曼頻移隨溫度的變化主要是受晶體熱膨脹的影響，拉曼峰的展寬則主要是由于晶體中VO<,4>四面體的畸變所導(dǎo)致。 二、系統(tǒng)地研究了Nd：LuVO<,4>晶體的熱學(xué)性質(zhì)

8、。采用差示掃描量熱法測(cè)量出該晶體室溫至700K溫度范圍內(nèi)比熱值為0．442-0．498 Jg<'-1>K<'-1>。采用熱機(jī)械分析儀測(cè)量了Nd：LuVO<,4>晶體298-573K的熱膨脹曲線，平均熱膨脹系數(shù)分別為α<,α>=1．7×10<'-6>/K、α<,b>=1．5×10<'-6>/K、α<,c>=9．1×10<'-6>／K，非常小的熱膨脹系數(shù)表明該晶體適宜于作為固體激光器的工作物質(zhì)。首次采用閃光脈沖法測(cè)量了該晶體的熱擴(kuò)散系數(shù)并計(jì)

9、算了熱導(dǎo)率。Nd：LuVO<,4>晶體熱擴(kuò)散的各向異性比較明顯，并且隨著溫度的升高熱擴(kuò)散能力逐漸減小。室溫下，Nd：LuVO<,4>晶體沿c方向熱擴(kuò)散系數(shù)為3．60 mm<'2>/s，沿a方向熱擴(kuò)散系數(shù)為2．95．mm<'2>/s，相應(yīng)的熱導(dǎo)率分別為9．77 Wm<'-1>K<'-1>和7．96 Wm<'-1>K<'-1>。 三、采用雙光束型分光光度計(jì)測(cè)量了Nd：LuVO<,4>晶體的吸收光譜，該晶體的吸收主要是由于摻雜的Nd<

10、'3+>離子引起的。測(cè)量了該晶體室溫下800-1500nm范圍的熒光光譜，激發(fā)光波長(zhǎng)為808nm。最強(qiáng)的熒光發(fā)射峰在1068nm附近，是目前Nd<'3+>摻雜的激光晶體材料研究最廣泛的一條激光輸出譜線。根據(jù)J-O理論計(jì)算了Nd：LuVO<,4>晶體的光譜參數(shù)，預(yù)測(cè)了晶體的激光性能并進(jìn)行了激光性能測(cè)試，初步探討了其應(yīng)用價(jià)值和前景。Nd：LuVO<,4>晶體三個(gè)晶場(chǎng)調(diào)節(jié)參數(shù)Ω<,t>(t=2，4，6)的值分別為8．235，4．683，6．0

11、90×10<'-20>cm<'2>。 四、808nm處的吸收截面為66×10<'20>cm<'2>。<'4>F<'3/2>→<'4>I<,11/2>躍遷的熒光分之比最大，其積分發(fā)射截面為13.896×10<'18>cm<'2>可產(chǎn)生1060nm波長(zhǎng)的激光。四、簡(jiǎn)單介紹了BaWO<'4>晶體的生長(zhǎng)方法。采用棱鏡耦合法測(cè)量了BaWO4晶體在632.8nm和1539nm波長(zhǎng)下的折射率。該晶體為負(fù)單軸晶體，其折射率n<,0>和n<,e>

12、非常接近，雙折射效應(yīng)不明顯。利用紫外/可見(jiàn)/近紅外分光光度計(jì)和傅立葉變換紅外分光光度計(jì)測(cè)量了室溫下BaWO<,4>晶體的透過(guò)光譜，其透光波段為256-5150nm，透過(guò)率非常高，說(shuō)明它可以在紫外、可見(jiàn)、近紅外以致中遠(yuǎn)紅外波段作為頻率轉(zhuǎn)換器件。 五、系統(tǒng)地研究了BaWO<,4>晶體的熱學(xué)性質(zhì)。采用差示掃描量熱法測(cè)量出該晶體室溫至573K溫度范圍內(nèi)，比熱值為0.317-0.358 Jg<'-1>K<'-1>。采用熱機(jī)械分析儀測(cè)量了B

13、aW04晶體298-1423K的熱膨脹曲線，該晶體只顯示出熱膨脹，并且其熱膨脹具有出明顯的各向異性。平均熱膨脹系數(shù)分別為α<,α>=1.10×10<'-5>/K、α<,b>=1.08 x10<'-5>/K、α<,c>=3.51×10<'-5>/K，非常小的熱膨脹系數(shù)表明該晶體適宜于作為拉曼激光頻移晶體。首次采用閃光脈沖法測(cè)量了該晶體的熱擴(kuò)散系數(shù)并計(jì)算了熱導(dǎo)率。該晶體熱擴(kuò)散的各向異性較小，隨著溫度的升高熱擴(kuò)散能力逐漸減小，a方向熱導(dǎo)率從室

14、溫下的2.59 Wm<'-1>K<'-1>逐漸降低到563 K的1.64 Wm<'-1>K<'-1>：c方向熱導(dǎo)率從室溫下的2.73 Wm<'-1>K<'-1>逐漸降低到563K的1.61 Wm<'-1>K<'-1>。 六、采用共聚焦顯微拉曼光譜儀測(cè)量了BaWO<,4>晶體在不同幾何配置下的拉曼光譜，觀察到了所有內(nèi)振動(dòng)譜線和大部分外振動(dòng)譜線。利用傅立葉變換紅外光譜儀測(cè)量了BaWO<,4>晶體的紅外吸收光譜，觀察到了八條紅外譜線。

15、根據(jù)空間群理論分析了該晶體的晶格振動(dòng)模式并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，對(duì)觀察到的振動(dòng)模進(jìn)行了詳細(xì)指認(rèn)。925cm<'-1>處的v<,1>拉曼模在所有譜線中頻移最大、強(qiáng)度最高，譜線的半峰寬為3.4cm<'-1>，在受激拉曼散射中具有較大增益系數(shù)，因此，在拉曼激光器的設(shè)計(jì)中該譜線是首選的產(chǎn)生受激拉曼散射的譜線。利用該譜線可以對(duì)532nm激光進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換得到黃橙波段的激光，也可對(duì)1.3μm的激光進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換得到1.5μm的人眼安全激光，發(fā)展前景比較廣闊

16、。 七、采用532nm皮秒脈沖激光泵浦單次通過(guò)型受激拉曼散射實(shí)驗(yàn)裝置研究了LiIO<,3>和BaWO<,4>晶體的SRS特性。50mm長(zhǎng)的BaWO<,4>晶體一階斯托克斯散射的閾值約為250MW/cm<'2>，增益系數(shù)約為20cm/GW。54mm長(zhǎng)的LiIO<,3>晶體樣品一階斯托克斯散射的閾值約為153MW/cm<'2>，增益系數(shù)為30.3cm/GW。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明LilO<,3>和BaWO<,4>晶體為高效的皮秒脈沖固態(tài)受激拉