Nd-CNGS晶體生長及性質(zhì)研究.pdf

1、進入新世紀，激光科學技術(shù)正以其強大的生命力推動著光電子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，圍繞激光和光電子產(chǎn)業(yè)中具有關(guān)鍵性、基礎(chǔ)性、帶動性的功能晶體材料的基礎(chǔ)科學問題進行系統(tǒng)的研究，對我國未來高技術(shù)產(chǎn)業(yè)和國防建設(shè)有重大戰(zhàn)略意義和現(xiàn)實意義。而現(xiàn)在激光技術(shù)應用中越來越多地要求把器件做得更緊湊、更小型、更便于調(diào)整和使用，這就促使人們把激光產(chǎn)生、光頻變換、調(diào)制等功能集中在同一晶體上。因此，研究更多適合于這種全固化微小型激光器的復合功能晶體材料，已成為晶體材料領(lǐng)域

2、的發(fā)展方向和研究熱點。
　　CNGS(Ca3NbGa3Si2O14)晶體是一種具有高壓電性能的功能晶體，并且兼具良好的熱學及光學性能，適于作為激光晶體使用，并有可能實現(xiàn)多種優(yōu)良性能的復合以應用于全固化小型激光器。但是目前，除了Co∶CNGS晶體，并未有其他激活離子摻雜的CNGS晶體的報道，尤其是對于激光應用很重要的Nd∶CNGS。如果能將Nd3+離子摻入CNGS晶體，有希望將多種優(yōu)良性能集于一身，進而實現(xiàn)功能的復合，對于小型激光器

3、件的研制具有重大意義。
　　基于以上目的，我們將Nd3+離子摻入CNGS晶體，首次得到了新型激光晶體Nd∶CNGS，對其生長、結(jié)構(gòu)、熱學及光學等基本物理性質(zhì)做了系統(tǒng)的研究，并利用Nd∶CNGS晶體實現(xiàn)了連續(xù)波激光的輸出。本論文主要的研究內(nèi)容包括:
　　1.Nd∶CNGS晶體的生長
　　采用提拉法生長CNGS及不同摻雜濃度的Nd∶CNGS晶體，詳細介紹了晶體生長的原理，對各晶體的生長過程及工藝做了詳細報道，并結(jié)合熔體生長

4、的規(guī)律從熱力學及動力學兩方面分析了晶體的生長形態(tài)的成因。
　　2.Nd∶CNGS晶體結(jié)構(gòu)及基本物理性質(zhì)表征
　　利用X射線熒光分析法對Nd∶CNGS晶體的摻雜濃度進行了定量分析，表明共生長了摻雜濃度分別為0.483at.％(＃4)、0.920 at.％（＃5）、1.685 at.％(＃6)、1.722at.％(＃7)和3.860 at.％(＃8)五種Nd∶CNGS晶體。利用X射線粉末衍射法對CNGS及Nd∶CNGS晶體結(jié)構(gòu)進

5、行了分析，并通過粉末倍頻效應測試發(fā)現(xiàn)Nd∶CNGS晶體具有倍頻效應。
　　通過水排法測量了CNGS及Nd∶CNGS晶體的密度。其中＃4 Nd∶CNGS晶體的密度測量值為4.1348g/cm3(測量溫度為15℃)，與理論密度值4.146625g/cm3基本一致。測量分析了CNGS及Nd∶CNGS晶體的熱膨脹系數(shù)、比熱與熱擴散系數(shù)隨溫度的變化情況，并由此計算了晶體的熱導率。其中對＃4 Nd∶CNGS晶體的各項熱學參數(shù)為做了詳細的報道，

6、其線性熱膨脹系數(shù)為:αx=6.98×10-6/K，αy=7.44×10-6/K，αz=6.77×10-6/K;室溫下的比熱:cp=0.604Jg-1K-1:熱擴散系數(shù)為:λx=0.68mm2/s，λy=0.70mm2/s，λz=0.897mm2/s;熱導率為:kx=1.676W/m·K，ky=1.768W/m.K，kz=2.227W/m·K。
　　對CNGS及Nd∶CNGS晶體的基本光學性能做了系統(tǒng)研究，包括折射率、旋光、透過與吸

7、收以及熒光特性。通過擬合，得到了CNGS及Nd∶CNGS晶體折射率和旋光率相應的色散方程及色散曲線，在1065nm波長下，＃4 Nd∶CNGS晶體的折射率no和ne分別為1.772和1.854。對Nd∶CNGS晶體的吸收做了詳細的分析，并計算了其吸收截面，800nm與804nm峰值附近Nd∶CNGS(＃4)晶體的吸收截面分別約為6.14×10-20cm2和6.08×10-20cm2。對Nd∶CNGS(＃4)晶體非偏振、偏振熒光譜和熒光壽

8、命進行了測試分析，并計算了其發(fā)射截面，在1064nm和1345nm附近，E//y偏振方向的發(fā)射截面分別為6.81×10-20cm2和3.13×10-20cm2。
　　另外系統(tǒng)分析了Nd3+離子摻雜濃度對于Nd∶CNGS晶體各項性質(zhì)的影響，實驗結(jié)果顯示Nd∶CNGS晶體的性質(zhì)隨Nd3+離子摻雜濃度的改變呈現(xiàn)規(guī)律性變化。
　　3.Nd∶CNGS晶體激光性能研究
　　利用Nd∶CNGS晶體實現(xiàn)了1065nm及1345nm連續(xù)

9、波激光輸出。使用2mm、z切向的＃4 Nd∶CNGS晶體得到的1065nm激光最大輸出功率為1.43W，光轉(zhuǎn)化效率為29.3％，斜效率為31.0％，激光光譜半峰寬為1.83nm。使用6mm、z切向的＃4 Nd∶CNGS晶體得到的1345nm連續(xù)波激光最大輸出功率為0.253W，光轉(zhuǎn)化效率為5.6％，斜效率為7.8％，激光光譜半峰寬為1.14nm。
　　通過以上研究表明，Nd∶CNGS晶體是一種熱學性質(zhì)及光學性質(zhì)優(yōu)良的激光晶體，易于