Yb-YAG晶體水平定向結晶法生長及其退火變色機理研究.pdf

1、Yb:YAG晶體以其優(yōu)異的熱學、機械、光學、激光性能成為新的研究熱點，被視為發(fā)展高效率、大功率固體激光器的一個主要方向，成為當前最有發(fā)展前景的全固態(tài)激光器工作物質。在軍事、民用、材料、信息等領域中的廣泛應用，迫切需要大尺寸、高品質Yb:YAG晶體材料。但傳統(tǒng)生長方法、工藝難以滿足要求，故本論文國內首次采用水平定向結晶法生長Yb:YAG晶體。
　　對烏克蘭UKAK-2型單晶生長爐充分研究后進行了改進。經過一系列準備工作、合適晶體生長

2、工藝參數(shù)探究等階段后，最終生長出總體完整性較好、尺寸為170mm×150mm×30mm的板狀8at.％Yb:YAG單晶。
　　真空氣氛下生長出的Yb:YAG晶體因存在色心呈藍綠色，1400℃退火后色心消失。對兩種晶體進行晶體結構表征，結果表明晶體中無雜相、品質較好。腐蝕后形貌分析發(fā)現(xiàn)退火后晶體內應力釋放、到達表面的位錯增加，更易被腐蝕，表面粗糙度大、顯微鏡下腐蝕坑數(shù)量多。針對目前色心形成機理尚不明確的問題，探究900℃、1000℃

3、、1100℃和1400℃不同溫度退火5小時以及900℃下5小時、10小時、20小時、30小時和40小時不同退火時間對晶體光學性能的影響。結果表明近紅外區(qū)域900nm～1050nm范圍內三處吸收峰一直存在，為Yb:YAG本征吸收峰，不同條件下僅強度發(fā)生變化；色心引起385nm和645nm兩處吸收峰，由氧空位及Yb3+還原為Yb2+引起，適當條件退火后晶體變?yōu)闊o色透明，色心消除，兩吸收峰同時消失；在485nm和1029nm附近存在兩處熒光發(fā)

4、射峰，強度較弱，1100℃退火后熒光強度最大；退火時間及溫度的增加有助于提高熒光壽命，900℃退火40小時值最大；電子順磁共振譜結果與吸收光譜一一對應。
　　利用第一性原理模擬分析實驗現(xiàn)象本質，根據(jù)實驗摻雜濃度及存在氧空位情況分別建模，對比分析晶格常數(shù)、能帶結構、態(tài)密度、光學性能變化情況，證實氧空位造成禁帶寬度減小，大部分原子各軌道電子態(tài)移動；結合吸收光譜實驗，確定385nm處吸收峰是氧空位造成的，645nm處吸收峰是Yb3+變價