（光学专业论文）掺nd3yb3钨酸钾钆激光晶体光谱性能研究.pdf

摘要 钨酸钾钆( k g d ( w 0 4 ) 2 ，简称k g w ) 激光晶体是在钨酸钙( c a w 0 4 ) 晶体上发展起 来的一种新型激光材群。该晶佯不诒在自由运转，重复诃q 还定二级管泵滑的臂堀下，帮 显示出高效率的特点。晶体能实现高浓度掺杂，具有良好的机械性能和光学性能，在非线 性光学、拉曼散射等方面有很大的潜力，在医疗、通讯、电子、遥感、工业以及科研领域 都有较好的前景。但是它的生长较困难，热传导率较低，不过相信随着晶体生长技术的提 高和采用针对性泵浦，这些不足将逐渐克服。近年来引起了国内外的广泛关注，成为光电 领域的研究热点。 本文讨论了掺n d 3 + 和y b ”两种稀土离子的钨酸钾钆晶体的光谱性能。 首先测量了其荧光谱和吸收谱，分别利用j - o 理论和倒易理论，计算了掺n d 3 + 和y b 3 + 离子的钨酸钾钆晶体的基本光谱参数，如各能级的辐射跃迁几率，振子强度，辐射寿命， 荧光分支比和发射截面等，讨论了它们作为激光材料的可能性和一些特性。 由于k g w 晶体是双轴晶体，各向异性，本文重点研究了晶体的各向异性对其光谱性 能的影响。实验使用两种分别按晶轴切割和按主折射率轴切割的晶体。一方面，结合这类 晶体适合用二极管泵浦的特性，较为系统的研究了泵光的通光方向和偏振方向对晶体荧光 光谱的影响。这为设计用激光二极管泵浦的激光器时，考虑合适的泵浦光偏振方向和入射 在晶体上的轴向提供了理论基础；另一方面，本文对晶体各喇曼振动模在不同方向入射和 接收的振动情况进行了实验，并从理论上分析给出了钨酸钾钆晶体的喇曼振动模式和各方 向的差异。这对设计拉曼激光器，根据所要利用的模式，找到最有裨益的放置方式有借鉴 意义。 掺杂浓度是决定激光晶体激光输出性能和效率的一个重要的参数。掺杂浓度的增加可 以加大参加受激辐射的粒子数，提高激光输出。但当掺杂浓度增加到某个值后，由于掺杂 离子间距减小，彼此之间的相互作用增强，增加了交叉驰豫，反而降低了激光输出效率。 因此最佳掺杂浓度的确定具有重要的意义。本文从荧光衰减曲线得到的激发态布居数与掺 杂浓度的函数关系，计算出n d 3 + ：k g w 中n d 离子中的最佳掺杂浓度为4 6 a t 。 研究结果表明，掺n d 3 + 和y b ”离子的钨酸钾钆晶体是一类很有发展前景的l d 泵浦 固体激光器和拉曼激光器用激光材料，能实现高浓度掺杂，最佳掺杂浓度为4 6 a t 。它的 各向异性性能对其荧光光谱，喇曼光谱都有较大的影响，在实际激光器设计中，考虑光的 入射轴向和偏振方向是有意义的。 关键词钨酸钾钆晶体；稀土离子；光谱参数；偏振性能；拉曼振动模；掺杂浓度 福建师范大学光学硕士学位论文 a b s t r a c t k g d ( w 0 4 ) 2l a s e rc r y s t a li san e wl a s e rs u b s t a n c em a t e r i a ld e v e l o pu p o nc a w 0 4c r y s t a l r e g a r d l e s so p e r a t ei nf r e e d o m ，u n d e rc o n t r o lo fqv a l u eo rl dp u m p i n g ，i ta l ls h o wh i g h e f f i c i e n c y i th a sg o o dm e c h a n i s m ，o p t i c sb e h a v e ，c a nb eh i g h d o p e da n dh a sp o t e n t i a li n n o n l i n e a r i t ya n dr a m a n s c a t t e ra r e a b u ti th a r dt og r o wa n dab i tl o wh e a te x c h a n g ec a p a b i l i t y w h i c hc a ns l o w l yb es o l v e db yt h ei m p r o v eo fg r o wt e c h n i q u ea n dp u m p i n ga tt h ev e r y w a v e l e n g t h s ot h ec r y s t a ls u p p o s e st ob ep r e m i s i n gs u b s t a n c ei nt h ef i e l do fm e d i c a lt r e a t m e n t ， c o m m u n i c a t i o n ，e l e c t r o n ，r e m o t es e n s i n g ，i n d u s t r ya n ds oo n n o wi tg e tm a n ya t t e n t i o na n d b e c o m ear e s e a r c hh o t s p o t t h ep a p e rr e s e a r c ht h es p e c t r u mc h a r a c t e ro ft w od o p e di o n s ，n d 3 + a n d y b 3 + , i nk g w c r y s t a l s f i r s t ，t h ea b s o r p t i o na n df l u o r e s c e n ts p e c t r aa tr o o mt e m p e r a t u r ew e r em e a s u r e d a c c o r d i n g t oj u d d - o f e l tt h e o r ya n dr e c i p r o c i t ym e t h o d ，w ec a l c u l a t et h e yb a s i cs p e c t r u mp a r a m e t e ri nn d 3 + d o p e da n dy b 3 + d o p e dk g w , s u c ha s t h eo s c i l l a t o rs t r e n g t h ，s p o n t a n e o u sr a d i a t i v er a t e ， b r a n c h i n gr a t i o ，i n t e g r a t e de m i s s i o nc r o s s s e c t i o na n dl a s e re m i s s i o nc r o s s s e c t i o na n ds oo n t h ep o s s i b i l i t 3a n dc h a r a c t e r i s t i cf o rn d 3 + a n d y b 3 + d o p e dk g w c r y s t a la sl a s e rm a t e r i a la r e d i s c u s s e d b e c a u s ek g wi sd o u b l e - a x i sc r y s t a l ，h a sd i f f e r e n tc h a r a c t e ri ne a c hs i d e t h ep a p e r e m p h a s i z eo nt h ei n f l u e n c eo ft h i si d e n t i t yt oi t ss p e c t r u mb e h a v e o no n eh a n d ，t a k ei ts u i tf o r l dp u m i n gi n t oa c c o u n t ，t h ei n f e c t i o no fp o l a rd i r e c t i o na n di n c i d e n c ed i r e c t i o no fp u m p i n g l i g h tt oc r y s t a lf l u o r e s c e n ts p e c t r ai sm e a s u r e d ，w h i c hm a yb et h e o r yb a s i sf o rd e s i g nl d p u m p i n gs o l i dl a s e r o nt h eo t h e rh a n d ，t h e r a m a ns p e c t r u mw i t hd i f f e r e n td i r e c t i o ni n t oa n d o u t p u tw a sm e a s u r e da n dt h er a m a nv i b r o n i cm o d eo fk g wc r y s t a li sg i v e ni nt h e o r y , w h i c h m a yb eu s e f u li nd e s i g nr a m a nl a s e r t h ed o p e dc o n c e n t r a t i o ni so n ei m p o r t a n tp a r a m e t e rt ol a s e ro u t p u tc h a r a c t e ra n de f f i c i e n c y w h e ni ti n c r e a s e s ，t h en u m b e ro fw o r ki o n sb e c o m em o r ea n dt h eo u t p u tl i g h ti n t e n s i o nb e c o m e s t r o n g e r b u ti fi ti n c r e a s e sb ys o m ev a l u e ，t h es p a c eb e t w e e ni o n sb e c o m ec l o s e ra n dt h e ya c t w i t he a c ho t h e rw h i c hm a k et h el o w e re f f i c i e n c y s ot h ea s c e r t a i no fb e s td o p ec o n c e n t r a t i o ni s i m p o r t a n t w ec a l c u l a t et h eb e s tc o n c e n t r a t i o nd e p e n do ne x p e r i m e n td a t aa n dc a l c u l a t er e s u l ti n t h e o r y t h ev a l u ei s4 6 a t f i n a l l y , w ec a ng e tt h er e s u l tt h a tn d h a n d y b 3 + d o p e dk g wc r y s t a li sap r o m i s i n gl a s e r i i m a t e r i a lu s e di nl dp u m p i n gs o l i dl a s e ra n dr a m a nl a s e et h ec h a r a c t e ro fd i f f e r e n tt r a i ti ne a c h s i d eh a sr e l a t i v e l yh i g hi n f l u e n c ei ni t sf l u o r e s c e n ts p e c t r aa n dr a m a ns p e c t r a ，w h i c hs h o u l db e t a k ei n t oa c c o r di nd e s i g nl dp u m p i n gl a s e ra n dr a m a nl a s e r k e y w o r d sk g d ( w 0 4 ) 2l a s e rc r y s t a l ；r a r ee a r t hi o n ；s p e c t r u mp a r a m e t e r ；p o l a rc h a r a c t e r r a m a n m o d e ；d o p e dc o n c e n t r a t i o n i i 福建师范大学光学硕二l 学位论文 中文文摘 早在1 9 7 2 年，俄科学家k a m i n s k i i 就对钨酸钾钆晶体进行了研究，由于当时存在晶体 生长困难和热传导率较低等原因，该晶体没有得到广泛的研究和应用，直到近年来随着生 长工艺的提高，以及激光二极管的成熟带动了针对性l d 泵浦固体激光器的研究热潮，该 系列晶体引起了国内外的广泛关注，成为光电领域的研究热点。 在研究中，人们发现这类钨酸盐晶体具备良好的作为激光晶体所需的特性，甚至在一 些方面优于y a g 晶体。 钨酸钾钆激光晶体即k o d ( w 0 4 ) 2 ( 简称k g w ) ，在自由运转和调q 模式下都得到了 高效率，低阈值的输出。强而宽的吸收谱线使其适合l d 泵浦而无需温控，这是y a g 所不 能比拟的。由于在n d ：y a g 中是由n d 3 + 取代y a g 中y ”，在n d 3 + ：k g w 由n d 3 + 取代k g w 中g d ”，n d 离子的半径与g d 离子的半径差值比n d 离子的半径与y 离子的半径差值小， 因此掺杂引起的晶格畸变更小，故k g w 能实现高浓度的掺杂。据报道y a g 晶体中n d 离 子只能掺到1a t ，而目前报导的k g w 的最大掺杂浓度可到8a t 。另外其高效自拉曼效 应以及可用作飞秒激光器的前景弛是引起了人们极大的关注。 本论文讨论了两种掺杂离子n d 3 + 和y b ”离子的钨酸钾钆晶体，在已知的研究状况下， 做了如下工作： ( 1 ) 首先本文测量了两种掺杂离子n d 3 + 和y b 3 + 离子的钨酸钾钆晶体的荧光谱和吸收谱， 计算了它们的基本光谱参数，讨论了其做为激光晶体的可能性和一些特性。 对于掺n d ”离子的钨酸钾钆晶体，根据j - o 理论三参量公式，利用最小二乘法拟合出 三个强度参量，q ，为1 3 5 0 x 1 0 2 0 c m 2 ，qd 为2 7 2 1 1 0 2 0 c m 2 ，q 6 为1 7 4 0 1 0 2 0 c m 2 ， 拟和误差较小，均方根差仅为7 1 4 5 x1 0 。由查得的约化矩阵元和实验拟合的q ，及j - o 理论计算公式，求出了各能级的跃迁振子强度厂。、相应的自发辐射跃迁几率、荧光分支 比、积分发射截面和辐射寿命，得出了钕离子在钨酸钾钆激光晶体中的具体能级图。 分析表明，n d 3 + ：k g w 晶体在8 0 0 n m 附近有连续而宽的吸收带，说明该晶体很适合 用l d 泵浦。晶体在1 3 3 ，聊，1 0 6 ，肌，0 9 0 9 o n 有较大的发射峰，分别对应4 e ，：到 4 凡”4 “，：和4 l ，：的跃迁。4 e ，2 的跃迁几率为2 7 9 5 3 4 9 s 1 , 辐射寿命为3 5 7 p s ，荧光分 支比分别为：4 i 。= 5 4 4 ，4 ，2 = 3 5 4 ，卢4 ，：= 9 3 。1 0 6 p m 处激光受激 发射截面为1 0 5 1 0 。9 c m 2 。本文还计算了r 参数和x 参数，r 值较小而x 值较大，说明 k g w 这种晶体相对于其他晶体更容易实现1 3 5 删激光输出。实验测量了三种不同浓度 k g w 晶体在1 0 6 p i n 处的荧光强度随入射光强度变化的曲线图。发现当掺杂浓度高达8 a t 时，1 0 6 p m 处荧光没有发生明显的粹灭，仍有较大的强度和与低浓度掺杂相似的斜效 率。这意味着此种晶体可实现高浓度掺杂。 掺y b 3 + 离子的钨酸钾钆晶体的荧光谱图主要有四个荧光峰，其波长分别为9 8 2 n m ， 9 9 8 n m ，1 0 1 7 p m 和1 0 3 6 p m 。9 8 2 n m 处的荧光峰最强，但同时也是最强的吸收峰，因此 不能实现该波长的激光输出。有可能实现激光输出的峰为1 0 1 7p m 和1 0 3 6 , u m ；其吸收 谱图表明，9 8 2 n m 是最强的吸收峰，能与i n g a a sl d 的发射波长很好的相匹配，因此该晶 体适合用l d 泵浦。论文判定了y b 离子在k g w 晶体中的s t a r k 能级分裂。上能级为1 0 6 8 2 c m 一，1 0 4 7 lc m ，1 叭8 8c m ，下能级为5 3 5c m ，3 5 8 c m ，1 6 3c m ，0c m 。 利用倒易理论，计算了y b 3 + ：k g w 的基本光谱参数。结果表明该晶体具有较大的吸 收截面1 4 7 3 1 0 1 9 c m 2 ，有利于泵光的吸收；较大的发射截面2 4 4 4 1 0 _ 1 8c m 2 ；较长的 辐射寿命o 3 0 6 m s ，有利于激光发射时的能量储备。 ( 2 ) 由于k g w 晶体是双轴晶体，各向异性，本文着重分析了晶体的各向异性对其光谱性 能的影响。 在过去研究者对该种晶体的研究中，有报导了光入射方向分别沿三晶体轴时对其荧光 光谱的影响。本文在此基础之上，结合k g w 适合用l d 泵浦的特性，分析了泵光的偏振 方向和通光方向对晶体荧光光谱的影响，能为l d 泵浦该晶体的固体激光器的设计提供理 论参考依据。 实验表明不同入射方向和偏振状态对晶体荧光强度影响较大。因此设计l d 泵浦该晶 体的固体激光器时，应考虑光的入射轴向和偏振方向。分析表明泵光的通光方向比泵浦光 偏振方向对晶体的荧光强度的影响更大。按晶轴切割的这两种晶体，相同实验条件下，荧 光强度i 。 ，。 ，。按折射率主轴切割的晶体，荧光强度，咖 ，心 i 。在通光方向为 c 轴，偏振方向平行于b 轴时晶体得到了最大的荧光输出。 ( 3 ) k g w 晶体具有自拉曼特性，是制造多波长激光器一种很有潜力的激光晶体。本文一 方面从理论上推导出k g w 的拉曼振动模式，具体分析了各拉曼模式。另一方面结合晶体 的各向异性特性，对两组分别沿晶轴切割和按折射率主轴切割的晶体进行了拉曼光谱实 验，分析了各喇曼振动模在不同方向入射和吸收的振动情况。对设计拉曼激光器时，根据 所要利用的模式，找到最有裨益的放置方式提供了理论基础。 本文对k g w 晶体基本晶格振动进行位置对称性分析，得到k g w 晶体基本品格振动 模的对称性分类为：2 2 a g + 2 2 b 。+ 1 4 b g + 1 4 a 。，共7 2 个晶格振动模，其中a g 、b g 是喇曼 振动模。分析了实验所得的各谱线所对应的振动模式。 v 福建师范大学光学硕士学位论文 分析表明，钨酸钾钆晶体的最大声子能量是8 8 5c m ，而广泛使用的基质材料y a g 最大可能声子能量是8 5 7c m ，因此k g w 晶体也属于有大的无辐射速率的材料。声子的 较大强度有1 9 0c m ，7 5 0c m “和8 8 5c n l _ 1 处。当e 垂直二重轴时，8 8 5c m “模强度最大： 当e 平行于二重轴时，7 4 5c m “模强度最大。值得注意的是1 9 0c m l 处模的谱线在沿n p 入射于n m 接收情况下，有异乎寻常的强度，超过了所有的振动模式，甚至大于w 0 4 的振 动，如果要利用该谱线，可以采用这种放置方式。 在掺钕和掺镱的对比实验和不同掺杂浓度( 3 a t ，5 a t 和8 a t ) 的掺钕钨酸钾钆晶体的 实验中，发现浓度越高，外模的强度略有变大，内模强度相对降低，但未有很明显的差别， 这说明晶体的结构在掺杂浓度高达8 a t 时也没有发生明显的结构改变。掺y b 钨酸钾钆晶 体一些峰位出现了少量的红移，说明y b 离子取代对w 0 4 原子集团的振动影响比掺n d 情 况下影响更大。 ( 4 ) 掺杂浓度是决定激光晶体激光输出性能和效率的一个重要的参数。掺杂浓度的增加 可以加大参加受激辐射的粒子数，提高激光输出。但当掺杂浓度增加到某个值后，由于掺 杂离子间距减小，彼此之间的相互作用增强，增加了交叉驰豫，反而降低了激光输出效率。 因此最佳掺杂浓度的确定具有重要的意义。 本文从荧光衰减曲线得到的激发态布居数与掺杂浓度的函数关系，计算n d 3 + ：k g w 中 n d 离子中的最佳掺杂浓度为46 a t 。在之前的研究中，仅有文献报导其范围为3 a t 8 a t 。 该结果能为激光晶体掺杂浓度的选择提供借鉴意义。 研究结果表明，掺n d 3 + 和y b 3 + 离子的钨酸钾钆晶体是一类很有发展前景的l d 泵浦固 体激光器和拉曼激光器用激光材料，能实现高浓度掺杂，最佳掺杂浓度为4 6 a t 。它的各 向异性性能对其荧光光谱，喇曼光谱都有较大的影响，在实际激光器设计中，考虑光的入 射轴向和偏振方向是有意义的。 在k g w 中由于钨离子具有高电荷( - t - 6 ) ，因此易引起上转换效应，是实现可见光波 段激光输出的有效途径。在这方面还有待更近一步的研究。 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 激光晶体概述 激光材料是指激光工作物质，是激光器的核心部件，根据工作物质的状态不同， 可以分为：气体、液体、固体、半导体以及自由电子激光器几种类型。目前固体激光 器应用最为广泛。固体激光材料分为晶体、玻璃和光纤等激光材料，其中激光晶体占 主导地位，它主要是由晶体基质和激活离子两者构成。晶体的物理性能主要取决于基 质材料，而它的光谱特性主要由激活离子内的能级结构所决定。由于激活离子与基质 材料之间存在相互作用，基质材料对晶体的光谱性能，激活离子对晶体的物理化学性 质都有一定的影响。作为激光器核心的工作物质，它的质量和优劣将直接影响到器件 的性能。 1 1 1 晶体基质 基质材料一般不构成激光能级，但能为激活离子提供合适的晶体场，使激活离子 产生合适的发射。一般而言，不同的基质可能选用同一种激活离子，基质对激光波长 影响不大，但对阈值功率和输出水平则有很大影响。基质晶体是掺杂离子的支架，它 使发光离子的相互作用不至于太强，保证了激光发射的线状谱特征，并对激活离子光 谱线的位移、分裂、加宽，能量转移以及激光发射中不可少的辐射和无辐射过程起着 重要作用。 激光晶体中大部分是稀土激光晶体。一般要求基质晶体中被取代的离子在价态、 化学活性、离子半径等性质上与激活离子相近，这使在激活离子在晶体生长时才容易 取代晶体中的离子进入晶格。传统的激光晶体基质大致可分为三类：氟化物晶体、含 氧金属酸化物和金属氧化物【1 1 。目前比较成熟的激光晶体基质有y a g 、y a p 、y l f 、 y v 0 4 、g d v 0 4 等。 1 1 2 掺杂离子 把适量的某种元素或元素化合物加到合适的基质内，该元素就能在基质内形成有 用的振荡能级，进而通过受激辐射跃迁获得激光。被掺入的元素在基质中通常以离子 的形态存在，所以称为激活离子。由激活离子和基质构成的激光工作物质对泵浦光源 光谱能量的吸收，以及它可能提供的输出激光波长主要取决于激活离子吸收光谱带及 其振荡能级。 福建师范大学硕士学位论文 激光晶体的激活离子主要有四类：过渡金属激活离子、三价稀土激活离子、二价 稀土激活离子和锕系离子。f l 】锕系元素多为人工合成的放射性元素，应用很少。最常见 的是稀土离子。稀土元素是化学性质非常相似的一组元素，从元素周期表的5 7 号到7 1 号，共十四个元素。这类元素的离子中4 f 不是最外层，它们受到5 s 2 5 p 6 电子的屏蔽。 稀土离子在固体中的发光可分为两类口】： 1 线状光谱的4 f 组态内跃迁。由于5 s 2 5 p 6 电子的屏蔽，离子光谱与自由离子很 接近，故形成锐线跃迁。4 f 一4 f 跃迁是宇称选择禁阻的，然而在晶体场中，晶体场 诱导4 f 波函数和其他波函数杂化，可产生电偶极子跃迁。 2 宽带光谱的f d 跃迁。5 d 一4 f 的跃迁是组间跃迁，是宇称选择规律允许的， 跃迁强度大。由于5 d 能级易受晶体场影响，产生宽的吸收光谱和荧光光谱，因此 可调谐。 常用的掺杂离子以n d 、h o 、t m 、e r 、c r 、y b 居多。 n d 离子是最为成熟的一种激活离子，是最早使用的三价稀土离子】。它的两个主 要跃迁是4 e ，：专4 。，2 以及4 ，9 ，：寸4 。n d 离子不仅在室温下而且在高温下都能产生受 激发射。它具有较大的吸收和发射截面，因此阈值低可实现脉冲输出。通常通过加入 敏化离子提高激光效率，而且n d 离子在8 0 0 n m 处有一吸收峰与l d 泵浦源匹配，使 它成为全固体激光器研制中一很普遍使用的掺杂离子。 由于y b 离子在通讯、军事上具有应用潜力，我国在“九五”期间将掺杂y b 离子 的激光二极管泵浦全固态激光器的研究列为重点，投资数千万，“十五”期间更加强了 力度，以期实现产业化。y b 激光晶体量子缺陷低，吸收带能与l n g a a sl d 泵浦源 有效耦合且吸收带宽，无需严格温控。无辐射驰豫引起的热负荷低，仅为n d 激光材料 的1 ，3 。不存在激发态吸收和转化，荧光寿命长，是n d 的3 倍多【4 j 。y b 离子的一个主 要缺陷就是准三能级系统。由于基态与热激发态能级属于同一多重态，因此y b 离子的 光谱和激光特性在很大程度上依赖于基质材料，受晶场环境影响比较大。其中y b ：y a g 是一种新型的，适合l d 泵浦的高平均功率和高光束的发射1p m 左右波长的激光材 料。且其二倍频是5 1 5 n m ，接近a r 离子激光器的波长5 1 4 5 n m ，很可能可以代替a r 离子激光器，因此引起越来越多的关注【5 】oc r ，y b ：y a g 是继掺n d 之后最重要的l d 泵浦激光基质，是未来核聚变激光驱动器前端系统的增益介质。掺y b 的复合钨酸盐体 系激光晶体对调谐的微片激光器的发展具有重要意义，已引起了国际广泛重视。 第1 章绪论 1 1 3 对激光晶体的要求 固体激光器中激光晶体是一个重要的组成部分，也是决定激光输出波长和性能的 关键的一部分。根据激光器在脉冲稳态工作下光泵阂值能量和振荡能量的公式 印。= a m 2 卜n 曲坳莉a v 石 t ( 1 - 1 ) ：上告夸_ 。旧一印。) ( 1 - 2 ) 仃+ l n 二l r 可得如下对激光晶体的几点要求： 1 荧光线宽a v 窄则光泵闽值e ! 小，这对连续器件有利。但对大功率大能量输出 的器件，荧光线宽宽可增加储能。 2 荧光寿命r 减小可以使光泵阈值e ! 变小，但却限制了振荡能量e 的提高。 3 要求尽量大的荧光量子效率”，多而宽的激光吸收带和高的吸收系数。要使吸 收光谱带和光源的辐射谱带尽可能重叠，充分利用激光源能量。 4 要求大的能量转化效率和激发线的荧光分支比。 5 四能级系统与三能级相比可降低阈值，提高效率。 6 要求非辐射驰豫快，基质的内部损耗要小。 7 与内部损耗有关的光学均匀性要高。 8 材料要有良好的热光稳定性，良好的物理化学性能和足够的长度1 3 j 。 1 1 4 激光晶体的研究动向 目前激光晶体的探索主要有三个方面：一是新波长激光晶体的探索，以向中红外 波长扩展和探索能直接发射蓝绿光的工作物质为主。二是可调偕激光晶体的探索。三 则是能用二极管泵浦的激光晶体的探索。 目前实现的激光波长主要是红和红外波段，极缺蓝和绿激光波段。全固态蓝光激 光器因其在激光生物医学、激光彩色显示、激光高密度数据存储、激光光谱学、激光 打印、激光水下成像与通讯等领域广泛应用，世界各地都掀起了研究热潮。丽绿激光 器具有体积小、波长短、光子能量高、寿命长、转换效率高、水中传播距离远、相对 人眼敏感等众多优点，可用于激光医学、信息存储、激光娱乐、建筑等多方面也引起 了大家的关注。所以有许多科学家在研究探索能直接发出蓝绿波长的激光器。 主要有两种方式： 福建师范大学硕士学位论文 一是利用倍频出光。如用l d 泵浦y a g 抑制1 0 6 4 t i n 和1 3 1 9 i , t m 波长，使9 4 6 n n l 倍频获得4 7 3n i l 的蓝色激光。1 9 8 6 年w e r i s k 和w l c n t h 用l i l 0 3 做倍频晶体，得 到了世界上第一台4 7 3 n m 全固态激光器。科学家在研究的过程中逐步克服了“绿光问 题”和“蓝光问题”，在k t p 倍频的n d ：y v 0 4 绿光激光器中插入布氏片实现了单频 绿光输出，在l b o 倍频的n d ：y a g 蓝光激光器中插入全波片获得了单频蓝光输出f 8 j 。 目前已有许多商品化的产品出现。我国己实现了l d 泵浦中功率绿激光器的批量生产。 二是利用稀土离子的上转换，如近年来有学者研究了t m 和h o 的各能级寿命和跃 迁截面，发现利用其上转换，有可能实现蓝绿光的波长输出。 目前能用l d 泵浦的可调谐激光晶体有c r ：l i c a f 【6 j 、c r ：l i s a f 【7j 、c r ：y a g 。 c r ：y a g 调谐输出波长1 3 5 9 m 1 6 6g m ，具有高抗损伤性且容易运行。它将取代普 通用于q 开关的l i f 和d y e 晶体成为新的激光晶体。 用l d 泵浦固体激光器与传统的用闪光灯泵浦相比，有许多优势。l d 泵浦的固体 激光器系统寿命更长，可靠性更高。在连续工作下，闪光灯泵浦能运行2 0 0 小时，在 脉冲工作方式下1 0 7 次。而用l d 泵浦固体激光器能分别达到1 0 0 0 0 小时和1 0 9 次。闪 光灯泵浦产生的大量热会造成材料衰变和工作物质不可消除的热透镜效应，使光束质 量变差。闪光灯泵浦需要冷却水，体积庞大，效率低仅为3 到6 。l d 泵浦可小型化、 高效率、运行特性更好。l d 的线宽仅为闪光灯的1 4 0l d 泵浦激光晶体的研制，泵浦 方式的优化，泵浦用l d 价格的下跌，都将会给l d 泵浦固体激光器带来广阔美好的前 景。 1 2 k g w 晶体的研究概况和意义 y a g 激光晶体虽是最为成熟的激光晶体之一，可广泛应用于科研、工业、国防、 医疗各方面。但它同样也有缺点。它的吸收线窄【3 】，泵浦效率低，限制了它的应用范围。 而且在掺杂浓度较高的时候就容易发生浓度淬灭现象，而k g w 晶体与它相比在这些 方面就有它的优势。 1 9 7 2 年，俄科学家k a m i n s k i i 第一次对该系列的钨酸盐晶体进行了研究p j 。由于当 时存在晶体生长困难等原因，该晶体没有得到广泛的研究和应用。直到近年来随着生 长工艺的提高，以及激光二极管的商品化带动了l d 泵浦固体激光器的研究热潮，该 系列晶体引起了人们的重视，进行了更深入的研究。从己查资料显示，钨酸钾钆晶体 主要有以下的几个特性和研究概况： 第1 章绪论 ( 1 )n d 3 + ：k g w 具有小的闽值能量，大约比y a g 低三倍。u o l 无论是自由运转，重 复调q ，还是激光l d 抽运都显示了高效率的特点。在相同的实验条件下，输出能量是 y a g 的2 - 3 倍。k g w 可高掺杂浓度i l i i ，有利于1 3u m 处激光输出和实现高能激光输 出【1 2 , 1 3 。强而宽的吸收谱线使其适合l d 泵浦而无需温控 1 4 , 15 1 ，这都是y a g 所不能比 拟的。 ( 2 ) 目前k g w 仍存在一些生长方面和热学性能较差的缺陷。k g w 生长上的问题 随着工艺技术的提高会逐渐得到解决，而热传导率较低可通过针对性波长泵浦得到缓 解，且k g w 的折射率随温度变化小，减缓了热透镜效应。由于n d 3 + ：k g w 的效率很 高，在相同输出能量下，其热效应的影响仍低于n d ”：y a g 。 ( 3 )有望实现上转换激光输出。在n d 3 + ：k g w 中由于钨离子具有高电荷( + 6 ) ，因 此易引起上转换效应【怕1 。在实验中许多人都有发现黄色的上转换荧光，如f l o o d ， a a d e m i d o v i c h 等。武少华等在2 0 0 4 年用8 0 8 n m 的二极管泵浦n d ”：k g w 晶体时， 发现了两个上转换的荧光，峰值分别位于5 3 4 n m 和6 0 0 n m 。涂朝阳等研究了y b ”：k g w 的频率上转换发光现象，发现由于4 7 5 n m 处蓝色荧光的存在阻碍了1 0 2 0 p i n 激光的高 效输出；蓝色荧光强度随y b 3 十离子掺杂浓度的增加而增加，在y b 3 + 离子掺杂浓度为 2 5 a t 的时候达到最大值；当y b 3 + 离子掺杂浓度为8 a t 1 0 a t ，1 0 2 0 p m 处荧光输 出强度最大旧。但也有人提出对y b h 离子的上转换发光不同的看法。刘政威等在“y b 3 + 离子的能量上转换机制的探讨”一文中，提出碰撞理论新机制，认为y b ”离子存在准 能级。 ( 4 ) 具有自拉曼散射特性。固体喇曼介质具有高的转换效率，较宽松的相位匹配要 求，比气体、液体更易操作等特点。k g w 具有大的受激喇曼增益，能产生有效的斯托 克斯转换，倍频后成为多波长激光源，具有很大的发展前景，可用于光纤通讯、喇曼 放大器、相位调谐镜多方面。k g w 作为喇曼介质，与其他介质如b a ( n 0 3 ) 2 相比有更 高的热学传导率，低的d n d t 和高的损伤阈值。目前出现了一种l z 系列固体激光拉 曼频移器就是采用b a ( n 0 3 ) 2 和k g w 激光晶体把泵浦光高效地转换到一阶，二阶，三 阶斯托克斯，获得多波长输出，总转换效率可达5 0 以上。 ( 5 )k g w 具有宽的发射带宽，可支持飞秒锁模激光输出。小型化、高功率的超短 脉冲基模输出可广泛用于医学、激光雷达、微电子加工、非线性频率变换、光学遥感 等多种领域。y b ”：k g w 在飞秒激光方向上有很好的前景。y b ”：k g w 比y b ”：y a g 有更大的发射截面。2 0 0 4 年a n t o i n ec o u j a u d 等在用二极管泵浦y b ”：k g w 实验中， 福建师范大学硕士学位论文 被动锁模情况下，1 5 w 的输入功率得到了1 5 0 f s 平均功率1 5 w 的脉冲。 k g w 晶体具有高效率，低阈值，大的荧光发射截面，可高掺杂，有利于1 3 o n 激 光输出，可做自拉曼介质做为多波长源，n d 3 + ：k g w 可实现亚皮秒激光输出，y b j + ：k g w 可实现飞秒激光输出的优异特性，是一种很有前景的激光晶体。 本论文在已有的研究基础上，做了如下的一些工作，得出一些新的结论。 首先本文测量了荧光谱和吸收谱，计算了它们的基本光谱参数如能级的辐射跃迁 几率，振子强度，辐射寿命，荧光分支比和发射截面等，得到了n d ”和y b ”离子在 k g w 晶体中的具体能级图。分析了其作为激光材料的可能性和特性。 其次由于k g w 晶体是双轴晶体，各向异性。本文着重分析了晶体的各向异性对 其光谱性能的影响。在过去研究者对该种晶体的研究中，有报导了光入射方向分别沿 三晶体轴时对其荧光光谱的影w t h j t 0 1 。本文在此基础之上，结合k g w 适合用l d 泵浦 的特性，分析了泵光的偏振方向和通光方向对晶体荧光光谱的影响，能为l d 泵浦该 晶体的固体激光器的设计提供一些理论依据。 再次，本文确定了n d ”：k g w 中n d 离子中的最佳掺杂浓度具体数值。在以往的 研究中，仅有文献报导其范围为3 a t 8 a t 2 ”。该结果能为激光晶体掺杂浓度的选择 提供借鉴意义。 最后，鉴于k g w 晶体有较强的自拉曼特性，本文一方面从理论上推导出k g w 的 拉曼振动模式，具体分析了各拉曼模式：另一方面结合晶体的各向异性特性，对两组 分别沿晶轴切割和按折射率主轴切割的晶体进行了拉曼光谱实验，分析了各喇曼振动 模在不同方向入射和吸收的振动情况。为在设计拉曼激光器时，根据所要利用的模式， 找到最有裨益的放置方式提供了参考依据。 6 第2 章理论基础 第2 章理论基础 2 1 稀土离子谱带强度的j u d d o f el t 理论 稀土离子在可见光和近红外波段几乎都表现为尖锐的谱线，它是固体激光材料最 常见的激活离子。在二十世纪六十年代才有理论来定量计算稀土激光材料。1 9 6 8 年， r i s e b e r g ，m o o s 和p o r t l o w 2 2 】讨论了多声子驰豫数据在量子电子装置上的应用。随后， m 0 0 s 【2 3 】描述了三参量模型来计算非辐射跃迁速率。至u t - b 十年代出，j u d d 2 4 】和o f e l t 2 5 】 发展了j - o 理论，特别是三参量方法，在稀土光谱性质的研究中变得十分普及。虽然 这个方法包含了一些近似，但它在估算稀土发光材料的几个重要光谱参数时很实用。 实验发现晶体中稀土离子的光谱大部分来自4 f 组态内电子的跃迁。由于一组态内的各 状态之间的跃迁是宇称相同的禁戒跃迁。为了解释晶体中稀土离子4 f 组态内的电偶极 跃迁，必须有某种非中心对称的相互作用，这种非中心相互作用可能来自晶体场的非 中心对称成分，品格振动的奇振动模式等。如果晶体场具有中心对称，奇晶场项为0 ， 离子周围具有奇宇称的振动仍可以使不同宇称的组态混合。j - o 理论的主要思想是：奇 宇称晶场和奇晶格振动将相反宇称组态的波函数混入4 f 组态的初态和终态的波函数， 因此推导了跃迁几率表达式。 j - o 理论认为晶体场展开式v = b ：( c ；f 】) 中奇晶场项对计算能级分裂没有贡献， 但对产生不同宇称的混杂起关键作用。基态为i a ) ，激发态为l b ) 。晶场作用作为一级微 扰，使得相反宇称的4 一。1 组态混入4 f 组态后，l 爿) 态和i b ) 态可分别写为：【2 】 州i ”删) + 善锩筹 陋- ， = 1 4 f n g j m ) + 善唑篇篆掣 b z ， 从基态到激发态的电偶极跃迁的振子强度岛可以写成下面形式： 厶= 半z d l 2口1(2-3) 偶极强度d 可写成： d = e 2d = e 2 i - o6 o4 o2 图3 - 1n d ”：k g w 晶体吸收光谱图 f i g3 1 a b s o r p t i o ns p e c t r u mo f n d ”：k g d ( w 0 4 ) 2a tr o o mt e m p e r a t u r e 3 2 振子强度和三个强度参量的计算结果 根据三参量j - o 公式，利用多元线性回归拟合出三个q 。参量和振子强度厶， 如下表3 - 1 所示。 表3 - 1n d “在k g w 晶体中的振子强度和强度参数 t a b 、3 一io s c i l l a t o rs t r e n g t h sa n d i n t e n s i t yp a r a m e t e r s f 2 o f n d ”i n k g wc r y s t a l a b s o r p t i o nl i n e w a v e l e n g t hp e a k s ( n m )s p e c t r a lr a n g e 嚣 嚣 ( r i m ) ，1 0 61 0 6 哼4 d 3 ，2 4 d l ，2 3 5 4 、3 6 3 3 4 7 3 7 089 3 l90 5 7 4 3 5 4 3 0 4 4 003 2 00 7 2 5 呻2 只，2 4 6 6 、4 7 7 、4 8 2 、4 8 7 4 5 0 4 9 5l1 9 4l0 2 l 呻2 k l5 ，24 g l l 22 g 9 ，22 d 3 ，2 5 1 8 、5 2 8 、5 3 2 、5 3 6 、5 4 0 5 2 5 5 4 743 3 737 8 9 5 6 0 6 1 51 09 2 51 09 5 7 g 7 ，24 g 9 ，2 2 五，： 5 7 8 、5 8 7 、5 9 0 、5 9 5 、6 0 0 、6 0 7 一4 g 5 ，22 g 7 ，2 6 _ 9 6 、6 3 l 、6 3 8 6 2 2 6 4 50 2 3 402 3 7 6 7 8 、6 8 3 、6 8 7 、6 9 1 、7 0 3 6 7 0 - 7 0 602 5 004 4 0 4 h l l 2 7 4 4 、7 4 9 、7 5 3 、7 5 8 、7 7 2 7 3 0 - 7 8 337 8 5 37 5 9 斗4 焉，2 7 9 3 、8 1 3 7 8 5 8 5 0 41 0 74 2 2 7 j 4 ，2 8 7 8 、8 8 6 8 6 0 - 9 3 018 2 0l8 3 2 1 5 2 5 1 8 0 002 1 3 01 6 2 1 6 0 3 、1 6 1 5 、1 6 4 4 、1 6 7 8 2 3 0 0 2 9 0 007 3 307 3 0 寸4 e ，22 9 ，2 2 3 9 9 、2 4 1 9 、2 4 4 8 、2 5 1 5 、2 5 5 3 、 2 8 4 8 4 e 2 专4 ，1 5 ，2 斗4 j 1 3 ，2 q 2 = 13 5 0 1 0 2 。c m 2 ，q 4 = 27 2 1 1 0 2 0 c m 2 ，q 6 = 17 4 0 x 1 0 2 。c m 2 占j = 7 1 4