（材料学专业论文）掺Yblt3gt离子激光晶体研究.pdf

摘要 淹着发射波长为0 9 一i ，1pm 豹大功率l d 泵漓源性能的稳定，适应她波段 的掺y b 3 + 离子激光晶体成为研究热点。作为能级结构最简单的激活离子，y b 3 + 离子具有眈n d 计离予更为优异的特点，更有利于固体激光秣的小型化。 本文采用提拉法生长出不同掺杂浓度鲍y b n ：z n w 0 4 晶体，使嬲i c p 法测量 了y 护+ 离子的掺杂浓度，计算得出掺杂浓度为l m 0 1 的分凝系数为o 3 7 2 ：对晶 蒋究整缝避蟹了磺究，缝果凌暖缓分过冷黎位错是影稳鑫锩蒺量魏主要挟麓；溺 试了偏振吸收和荧光光谱，计算出不同波长处的吸收截面和发射截面，其中 9 7 4 n m 豹ga b s 为4 。3 0 3 ) ( 1 0 2 m 2 ，1 0 4 t n m 豹。为o 3 6 0 x 1 0 正m 2 ；确定了y b 3 + 离子在z n w 0 4 晶体中的s t a r k 子能级；激光过程中泵浦光的偏振方向以e e 最 佳。y b 弦：z n w 0 4 晶体其有较宽翡吸收和发射谱带，有望实现锁模脉冲；同时可 以与其它钨黢盐晶体一样，剥用大的非线性辑射率实现自感动自锁模激光运转。 生长出光学质蠡的y b ”：l i n b 0 3 晶体，测试得到襁9 8 0 n m 的o8 b 。为 1 1 6 8 x 1 0 锄c i , 1 1 2 ，1 0 6 0 n m 的。m 为o 3 4 5 1 0 。2 0 c m 2 ；确定了y b p 离子在l i n b 0 3 晶 体中的s t a r k 子能级；计算得出基频1 0 6 0 n m 的i 类位相匹配角为8 5 0 2 4 9 度，相 于长度为4 0 4 。8 6 2 0 赫m 。俸为鑫镑额激光鑫体，y b ”：l i n b 0 3 静实鼯瘦臻价值缀 高，是制造紧凑的离效率微小型激光器的理想材料。 采霜中频感应加热法生长密y b ”：y a g 潞体，蠡j 光谱测试得到9 4 1 n m 的口a b ； 为3 7 l 1 0 - 2 0 e m 2 , 1 0 3 0 n m 的ae m 为2 1 8 t 1 0 矗o c m 2 。分析了y b 3 十离予在y a g 晶体 中的能级结构。y b ：y a g 晶体是性能优庭的高功率激光晶体，应髑广泛。 做出了v b 3 + 离子在不固晶体中的能级“重心图”，结暴袭明晶体场对y b ”离 子能级分裂的影响为定值；推导出y b 3 + 离子基态( 2 f ，2 ) 与n d 3 + 离子基态( 2 1 9 ，2 ) 最大分裂襞之润憨关系为；蠢2 f 7 t 2 ) = 1 。4 6 6 74 毯2 i g a ) ；剥瘸j u d d - o f e l t 瑾谂诗雾 了y b n 离子在z n w 0 4 ，l i n b 0 3 和y a g 晶体中的谱线强度、振子强度、跋迁几 率莘雾荧光毒愈，结聚表朝撼y b ”鬻子瑟缀麓纯为= 麓缓穰甏所得瀵论篷与实验 值吻合较好。 关键谰激光晶体；y b 3 + 离子；光谶；能级 a b s t r a c t y b ”i o n d o p e dl a s e rc r y s t a l sh a v ea r o u s e dm u c hi n t e r e s tw i t ht h ed e v e l o p m e n to f h i g h - p o w e rl a s e rd i o d ep u m ps o u r c ew h o s ee m i s s i o nw a v e l e n g t hi sb e t w e e n0 9 1 ；1 # m a st h ea c t i v a t i o ni o nw i t ht h es i m p l e s te n e r g yl e v e l s ，y b ”h a ss o m es u p e r i o r c h a r a c t e r so v e rn d ”，w h i c hm a k ei tm o r eb e n e f i c i a lt ot h em i n i a t u r i z a t i o no fs o l i d l a s e rd e v i c e s y b ”：z n w 0 4c r y s t a l sw i t hd i f f e r e n ti o n d o p e dc o n c e n t r a t i o n sw e r eg r o w nb y m e a n so fc z o c h r a l s k it e c h n i q u e t h ed o p e dc o n c e n t r a t i o n so fy b 3 + w e r eo b t a i n e db y i c p a e sm e t h o d 。t h ed i s t r i b u t i o nc o e f f i c i e n to fy b ”i nz n w 0 4w a so 3 7 2 s t u d i e s o ni n t e g r a l i t yo ft h ec r y s t a l si n d i c a t et h a ts u b c o o l e dc o m p o n e n t sa n dd i s l o c a t i o na r e t h em a i nd e f e c t st h a ta f f e c tq u a l i t yo ft h ec r y s t a l s t h ep o l a r i z e da b s o r p t i o ns p e c t r a a n dp o l a r i z e de m i s s i o ns p e c t r ao fy b ”：z n w 0 4w e r eo b s e r v e d ，a n dw eg o tt h e a b s o r p t i o nc r o s ss e c t i o na n de m i s s i o nc r o s ss e c t i o na td i f f e r e n tw a v e l e n g t h s ，o f w h i c h 0a b sa t9 7 4 n mw a s4 ，3 0 3 x 1 0 2 0 c m 2 0e ma t1 0 4 1 n mw a so 3 6 0 x 1 0 - 2 0 c m 2 s t a r k s u b e n e r g yl e v e l so fy b ”i nz n w 0 4c r y s t a l sw e r ed e t e r m i n e d 。t h eo p t i m a lp u m p i n g p o l a r i z a t i o n d i r e c t i o ni s e c h a v i n gr e l a t i v e l y b r o a d a b s o r p t i o n b a n da n d f l u o r e s c e n c eb a n d 。y b 3 + ：z n w 0 4i sk i n do fap r o m i s i n gc r y s t a lt h a tc a nb eu s e dt o a c h i e v em o d e - l a c k i n gp u l s el a s e r m o r e o v e r , t h es e l f - s t a r t i n gs e l f - m o d e l o c k i n gl a s e r d e v i c ec a nb em a d ew i t hy b 3 + ：z n w 0 4c r y s t a l sw i t hb i gn o n l i n e a rr e f r a c t i v ei n d e x y b 3 + ：l i n b 0 3c r y s t a l sw i t hh i g ho p t i c a lq u a l i t yw e r eg r o w nw i t hc z o c h r a l s k i t e c h n i a h e 。a b sa t9 8 0 u r ni sm e a s u r e dl 。1 6 8 1 0 - 2 0 c m 2 ，a n d 。e ma t1 0 6 0 r i mi s 0 3 4 5 1 0 2 0 c m 2s t a r ks u b e n e r g yl e v e l so fy b 3 + i nl i n b 0 3w e r ed e t e r m i n e dt h e p h a s em a t c h i n ga n g l eo ft y p eia t b a s ef r e q u e n c y1 0 6 0 n mi s8 5 0 2 4 9 。a n dt h e c o h e r e n tl e n g t hi s4 0 4 8 6 2 0um a sas e l f - f r e q u e n c yl a s e rc r y s t a l ，y b 3 + ：l i n b 0 3h a s h i g hp r a c t i c a lv a l u e s ，a n di t i sa ni d e a lm a t e r i a lt op r o d u c ec o m p a c th i 馥p o w e r m i c r o 1 a s e rd e v i c e s y b 3 + ：y a gc r y s t a l sw e r eg r o w nw i t hm i d f r e q u e n c yi n d u c t i o nh e a t i n g a c c o r d i n g t o s p e c t r o m e t r ya n a l y s i s ，oa b s a t9 4 1 n mi s3 7 1 1 0 。2 0 c m 2 ，。e ma t1 0 3 0 n mi s 2 1 8 1 x 1 0 1 2 0 c m 2 e n e r g yl e v e l so fy b 3 + i ny a gc r y s t a l sw e r ea n a l y z e d y b 3 + ：y a g c r y s t a li sak i n do fs u p e r i o rh i g hp o w e rl a s e rc r y s t a lw h i c hc a nb ew i d e l yu s e d 。 a f t e rd e t e r m i n i n gt h eb a r y c e n t e r sp l o t ，w ef o u n dt h a tt h ee f f e c to f c r y s t a lf i e l d a b s t r a c | o i ls p l i t t i n ge n e r g yo fy b ”w a sc o n s t a n t 譬h er e l 蘸i o nb e t w e e nm a x i m u m s p i i 娃i n g e n e r g i e so f b a s es t a t ey b 3 + ( 2 f t a ) a n db a s es t a t en d 3 十( 2 1 9 ，2 ) w e r ed e d u c e d ： 删2 f 7 a ) = 1 4 6 6 7 a e ( 2 i g ：2 ) ；t h ej u d d - o f e l tt h e o r yw a sa p p l i e dt oc a l c u l a t et h el i n e s t r e n g t h ，v i b r a t i o ns t r e n g t h ，s p o n t a n e o u se m i s s i o nt r a n s i t i o nr a t ea n dt h ef l u o r e s c e n c e l i f e t i m e t h e o r e t i c a ld a t ac o l l e c t e df r o mt h et w o ，l e v e lm o d e ls i m p l i f i e df r o my b 3 + e n e r g yl e v e l st a l l i e dw e l lw i t he x p e r i m e n t a ld a t a k e yw o r d sl a s e rc r y s t a l ；v b 3 + i o n ；s p e c t r u m ；e n e r g yl e v e l i i i 独创性声明 本人声明所里交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别烟激振注积致滋黪建方终，论文中不惫含其德 人已经发袭或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或 爱书焉使覆过懿孝芎糙。与我一闲工俸稳嗣惠对本毳拜究所徽豹任何炎蔽均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 熬名： 诞鏊醋期：盘墁! 丞叠 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工妲大学有关保馨、使用学位论文的规定，即：学校商权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容，霹以罴震影印、缀窜或其瞧复制手段儇存论文。 ( 保密的论文在解密厢应遵守此规定) 签辄镒新签名：越耋盆日期：碰：2 粥1 苹绪论 曼n i 一i i l l l n , i f , l l l in ,i,- i u , ii 啷皇寡舞黑皇_ 攀曼曼舞麟舞葺皇邕鼎嘲嘲鼍 第1 章绪论 耪糕怒人类社会不甄发震毂魏矮基磁鞠毙导，科学技术及国蔑经济黠材料提 出的更高要求推动着材料科学的不断发展，而新材料的出现和应用往往引勰科学 技术熬一恣率突破牲进展，鑫傣秘精是材瓣辩学弱发震前沿，属予新型丰芎料粥。 事实已证明，晶体材料对发展高新技术的作用越来越大2 1 。因此，鼎体专考料的生 长工艺及後能研究在科技教展史中具有非常重要的地位。 激光投术是二十世纪六十年代迅速兴趣的一门崭耨的秘学技术，它的出瑗不 仅使古老光学焕发出勃勃擞机，而鼠还开拓了若干新兴学科与交叉边缘学科。激 光技术在辩学磷究，工农救生产帮匾骑建墩等方嚣发粪羞越来越鏊耍豹 筝瘸隧。 激光器的发明不仪是光学发展史上的里程碑，而且是整个科学发展史上的伟大里 程薅闲。 固体激光器咀其所具商的功率密度大、结构紧凑、稳寇性强等特点引起人们 酶广泛关注，是激光器的笈展方向。在固体激光介徽中，激光晶体占有重要地位， 激光晶体的研究至今只有4 0 多年的历史，但是它已经将量子电子学、光落学、 结晶化学和圆体物理学等学科融为一体。晶体结构的完整髋以及极其广泛的物理 参数使得激光晶体具有多瓣多样的性质，在当兹有发展兹途躯激光余覆中占握誊 非常重要的位置。离子掺杂晶体材料的生长和光谱研究是激光晶体研究领域的重 要缌戏部分。 1 1 激光晶体的应用 激光晶体是固体激光嚣的工作物质，它的应蠲主要韦拳现在激光的应阐上。 1 9 5 8 年，美园物理学家s c h a w l o w 牟bt o w n e s 分析了通过受激发射遂行光频秘遥 光频区域电磁波振荡和放大的可能性。他们概略地讨论了原理，提出选择激活介 质魏激励方法辨具体设想p 】。1 9 6 0 冬，美爨甥理学家m a i m a n 在鑫然杂志上 报邋了研制成功波长为6 9 4 3 n m 的级宝石脉冲激光器l “，标志着激光技术的正式 诞焦。扶愆，激光技寒逐猛发震，暑在政治、经济、军事、医疗卫生、环境绦护 和人民生活备个领域产生了不可磨灭的影响【7 o 众掰鞴知，我稍繇楚懿辩 弋是僚怠时代。激光在信息领域的疵溺，就怒以激 光为信息载体，将声音、图像、数据等各种信息通：i 迪激光传送出去，通过激光存 储谯光学存储嚣罩，并可以通过激光将信息打印或驻示出来等等。光通信系统是 j e 京工业大学工学硕士学位论文 曼量鼍奠邕婪鼍曼曼鲁兰曼曼曼舞寰躺皇曼曼岂曼嬲鼍曼冒| 感燃曼曼曼摹i l li 鼎曼曼舅董自鼎! ! 舅曼目曩黼拦皇 是信惑聿主会豹耱经斛络，瑰巍己实瓒离速、长距离激光空蔺通信，季等嗣适合羽于 军事和航空领域应用。光盘技术是光电子产业的核心之一，光盘的存储密度决定 于激光聚焦鹃记录点大小。激光大屏幕彩色箍示、激光束扫描显示、激光打印和 彩色复印等技术已经走进人们的日常生活。 材料加工是激光应用的重要领域之一，从汽车工业到钟表行业，到处都在用 激光对材料进行切割、焊接、打孔、打标和表面处理。在汽车工业，激光用于那 些无法用传统技术焊接的铝合金材料的焊接。在打标方面，半导体激光器可以直 接在零件、产品上打印，减少了传统喷墨打印机对环境的污染。激光可以对微电 子、微机及相关领域的零部件进行微区加工。 医用激光市场在不断的扩大，半导体激光手术刀已开始进入医院，激光可以 治疗青光眼、视网膜脱落及其它眼病。激光美容在整形领域发展很快。利用激光 来研究d n a 序列，可以大大促进研究进程。公众对激光医疗的需求在不断的增长， 医生对激光技术的信赖程度在不断增强，科学家们对激光在探索生命奥秘方面的 作用越来越重视。 激光在新的军事领域和国家安全领域的作用越来越重要。激光已经成为显示 军力强弱的一个重要组成部分，成为保卫国家安全，保卫人民生命财产安全的一 种强大武器。激光测距仪是部队中用的最普遍的激光系统，它们被装备在军事装 置上，使攻击的命中率大大提高。在战斗机、武装直升机上装备激光雷达和激光 报警系统，可以迅速的探知并显示出周围的障碍物。利用激光还可以鉴定指纹、 进行毒品分析和爆炸物分析等。 1 2 激光晶体概述 1 2 1 固体激光工作物质 能用于产生激光的材料统称为激光工作物质，到目前为止，已经发现能产生 激光的工作物质有上千种，产生上万种不同波长的激光。激光器的种类很多，根 据工作物质的不同来分类，可以把激光器分为固体激光器、气体激光器、液体激 光器等。固体激光器是固体作为激光工作物质的激光器，通常由三个基本部分组 成：固体工作物质、泵浦光源和光学谐振腔。其中固体工作物质是激光器的心脏， 其物理性质和光谱性质等在很大程度上决定了激光器的性能。固体激光工作物质 可分为晶体和玻璃两大类，它们都是由基质和激活离子两部分组成畔j 。 辩1 章绪论 _ i i l l l l l l i i i j i l l l l l li l i ii , l i l l 舞! ! ! 鼍皇寰糟葛目| 2 。 ， 蒸蒺震骰强俸激光工箨物壤静蒸矮靖麓般不稳藏激巍髋级，穗能为 激游离子提供合适的晶体场，使激滤离子产生跃迂，实现激光输如。般分为玻 璃和晶体两太类，两者的主溪区莉嵌于：潞体的硬腹和机械强度般比玻璃高， 不翳被损修；燕俸酸热物理性能魄玻璃好，隧适盛平均功率较离妁工作方式；激 光晶体中韵离子跃进谱线主薅为均匀加宽，荧光线较窄，增益较高 激光玻璃的 离子跃迂谱线主要为葵臻匀艇宽，漤线撰竟，鸯嚣予激活啜嫒；玻璃翁掺杂浓度 一般比晶体离，易制成大块光学质墩好的材料。 。2 。 2 激活枣予蹙适豢黪菜弹元素或元素纯合裼d n i t l 会适静萋覆肉，该元素 就能在基质内形成有用的搬荡能级，进而通过受激辐射跃迁获得激光。被掺入的 元素在基袋中通常以离子形态存在，所醴称为激活离子。激活离予主要有以下四 粪：过渡金属激活离子、= 价稀土激活离子、三价撩土激滔离子和锕系激活离子。 现在常用的怒三价稀土激活离子，这类离子在元素周期表中从原予序数 5 7 7 1 共1 5 弛元素，其中大部分邑用傲激溪离子。这类离予豹未瀵麦层f 4 f 轰屡) 电子为内层电子，受到外层电子的屏蔽作用，因而在不同繁质中其光谱与自由状 态躲离子光谱大访檩供。戴类离子般熬毅 | 雯锐线对应予装戒跃惩( 受晶格场翡 微扰作用而允许跃迁) ，它对外界泵浦光的吸收很弱且线宽很窄，因而使用此类 激澄离子跨簧求掺入较高豹浓度良增麴对象浦光静吸收。同时，由子啜枝光谱的 线宽很窄，故要求选用光谱匹配良好的泵滞光源。 1 2 2 激光晶体的主要类型 激光鑫体经过年代驰起步，? 0 年代的探索秘零代豹发震过程，妖最 初的几种发展到常见的数十种。从功能、品种、数壤和应用等方面来讲，激光晶 搭纛残戈凄鼹晶体中静一个独立门类，著袋凌銎钵激光技零静支撵桎辩。 以功能分类，激光晶体可以分为高功率激光晶体、可调谐激光晶体、激光二 辍镣( l d ) 泵清静激光晶体鞠复合功麓激光晶体。 1 2 2 1 离功率( 离平均功率) 激光晶体通常，能发射峰值功率5 m w 或平均功 率i o o w 阻上的激光器称为大功率激光器，相应的在这类激光器上应用的激光晶 体归类于商功率( 离平均功率) 激光最体。这类晶体通常具露光谱憷能、热 生能、 机械性能优良和易于生长出高质量大尺寸单晶等特点。这种晶体自6 0 年代中期 礤制成功以泉一壹占据嚣钵激光孝孝糕懿圭磐缝位。n d ：￥a g 大足寸缀条霹良获褥 千瓦级激光输出，多级串连或有放大级的檄条激光器输出功率则更高，现在微片 北京工业犬举t 学顿j ? 学位论文 蔓! 曼皇鼎煳i i i i 燃鼍量! ! 曼曼懋舞皇曼曼皇寰篇曼曼詈置冀皇蔓皇! 曼皇篡糕目曾蔓曼蔓燃邕皇! 曼皇篡嘲鼍量 螽俸瞧虿获礴大弱激光赣整。n d ：y a p 晶体静物理、纯学和辊械往靛与y a g 鞠钕， 但可以掺入更高浓度的n d ”，激光性能优良且输出为偏振光，也是优良的高功率 激光晶体。另外还有n d ：g g g 、c r ：a 1 。o 。和n d ：l n a 等晶体也属于这一蒺翻。 1 2 2 。2 可调谐激光翕体可调谐激光晶体是指激光波长在菜一波段范围内可调 谐的晶体。- 石丁调谐激光晶体从7 0 年代起获得蓬勃发展，自1 9 7 8 年宣温工作且性 l 优异的金绿宝石燕传被发现以来，耀继又疆剑出3 0 多魏可调谐激光晶体，其 中比较重要的有如下几种： 掺钛蓝宝石( t i ：a 1 2 0 3 ) 具有调谐范围宽( 6 6 0 1 1 8 0 h m ) 、增益截面大和原材 料便宜等特点，成为当前最重要的可调谐激光晶体；金绿宝石导热性率是y a g 的 2 倍，抗热冲击能力为y a g 的5 倍，激光波长的调谐范围是7 0 0 8 0 0 n m ；氟化物 可调谐激光晶体在可调谐晶体中占重要的位置，世界上第一台可调谐固体激光器 是用n i ：m g f 2 晶体做工作物质。m g f 2 晶体可以掺入不同种类的过渡族金属离子， 发射中红外波长的激光而且调谐范围宽；8 0 年代，对石榴石型可调谐激光晶体 的研究比较活跃并取得了一定的成效。其中，c r 3 十：g s g g 是最为突出的一种，它 机械性能高、化学稳定性好，可调谐范围7 4 2 8 4 2 n m ，阈值仅几焦耳【1 0 1 。 1 2 2 3 激光二极管( l d ) 泵浦激光晶体从8 0 年代末和9 0 年代初，l d 泵浦的 固体激光器研究取得了惊人的进展，有着广泛的应用前景。适于l d 泵浦的激 光晶体大体上可以分为以下几类：掺n d 的激光晶体可用发射波长7 9 7 8 1 0 n m 的 g a a i a sl d 泵浦，主要有n d ：y l f 、n d ：y v o 。和n d ：y a g 等；掺c r 3 + 激光晶体的泵浦 吸收带宽，峰值吸收波长在6 5 0 7 0 0 n m 范围内，可用发射波长在此范围的l d 泵 浦；掺t m h 激光晶体主要有t m ：y v 0 4 ，它是双折射晶体，有利于激光器的起偏和q 开关工作，泵浦带中心波长在8 0 0 n m 附近，吸收带很宽而且很强；掺y b 3 + 的激光 晶体，对于l d 泵浦来说，y b ：y a g 是一种比n d ：y a g 性能更好的增益介质，它的 吸收线宽比n d ：y a g 宽的多，减少了二极管激光器热控制的要求，而且上能级寿 命比n d ：y a g 寿命长的多。 1 2 2 4 复合功能激光晶体这类晶体是指具有两种以上光学功能的激光晶体， 包括自倍频、自调制、自锁模激光晶体，也就是这类晶体既具有激光晶体特性又 具有非线性光学晶体特性或其他的特性。 ( 1 ) 自倍频激光晶体这类晶体没有反演对称性，同时具有非线性光学晶体 倍频功能和激光性能。属于这类晶体的有n d a l 3 ( b 0 3 ) 4 、n d x y 0 。) a 1 3 ( b 0 3 ) 4 和 第1 章绪论 ；i i i l l ! l l l l l l l l l l l i 1 1 1 1 1 1 1 1 1 k ：i i | 7 n d ：m g o ：l i n b 0 3 等。 ( 2 ) 自调制、自锁模激光濑体激光的调制和锁模可以利用电光晶体的光调制 毅拳，恣可逶过可谗帮寝竣孛芎辩熬漂自效痣繁实现。函噩艺，只有羲其备激竞晶体 特性又具备电光晶体调制作用或可饱靼吸收体的漂白效应的鼷体才属于自调剑、 自锁禳激光满俸。诧较典型酾晶体有n d 弘：c r 4 + ：c a 2 + ( m 9 2 + ) ：y a g ，遂稀晶体热有 可魄帮吸收姆性，能获褥鸯调剡自锁模激光。l i n b 0 3 磊体鼓寄毫毙效应，在掺 入激活离子和其它掺杂剂改避性能尉，可望成为自调制和自锁模激光晶体。 ，3 掺￥b 3 + 离子的激囊漂俦 1 3 1 掺y b “离子激光晶体的特点 髓着h _ l g a a s 激光二极篱的研究进展，发射波长为0 9 1 11 - tm 的大功率l d 已可以作为稳定的裂演源【 2 l 。近年来，i n g a a s 激光二摄鹫成本翡降低f 1 3 l ，入钓 开始寻求适合于此浆浦条件下的激光晶体。而适应邀一波段的掺y b 的激光晶 髂兵毒以下敬特点逐灏雩l 越太弱掇大熬疆突兴趣l “。9 】。 ( 1 ) w b ”为能级结构最简单的激活离子，电子构型为 x e 4 f 1 3 ，仪有一个基态 2 f 7 穗耪一个激茇态2 f 泊在疆接场佟璃下，产生s t a r k 分裂，形戒维三能缀激光 运行机制； ( 2 ) y b 3 + 吸收带谨0 9 1 1nm 波长范围，能与i n g a a s 激光二板管泵浦源有效 耦合，且吸收带宽，无需严格的湿度控制即可获褥檩位匹懿的l d 泵浦波长； ( 3 ) 量子缺陷低，泵浦波长与激光输出波长非常接近，理论上量子效率高达 9 0 发右； ( 4 ) 由于泵浦能级靠近激光上能级，无辎射弛豫引起的材料中的热负荷低， 铰灸掺n d ”爨耱激建麓瓣斡 为； ( 5 ) 不存在激发态吸收和上转换，光转换效率高； ( 6 ) 荧光寿命长，为n d ”同萃孛激光褪精酌3 倍多，长韵荧光寿命有剩子德能、 超短脉冲放大和调q ( 7 ) y b 3 + 离子半径比n d 3 + 离子半径小，围此y b ”更容易进入晶格，引起的晶 格噫变小，翁生长赢质量赢掺杂浓度躲晶体。 从上述特点可以看出l d 泵浦的y b 3 + 激光晶体在某些性能上明显优于n d 3 十 激光鑫傣。在掺y b 3 + 激光鑫佟中，魄予霹实现￥b 3 十亵子熬褒浓疫掺杂，瑟瑟蘧 北京工业丈学m 学硕士学位论文 盏奔覆可 睾液徽片，这是一魏传统稳稀主离予所徽不瑙鹃。这对实现l d 泵清静 固体激光器的集成化、小型化和结构紧凑将具有十分重要的意义【2 0 l 。 1 3 2 掺y b “离予激光晶体的研究进袋 1 9 6 5 年贝尔电落实验室的j o h n s o n 等人瘸闪光灯泵瀵y b ：y a g 菇体，当孵麦 于高的闽值( 3 2 5 j ) 和低的转换效率未引起人_ f i t n 重视；1 9 7 1 年，r e i n b e r g 铸人 在7 7 k 湿度下泵滤y b ：y a g 磊落，获褥了1 , 0 2 9 # m 豹黥渖激光辏爨 搬，驮蠢揭 开了掺y b ”激光晶体的研究序幕。假在之后的相当长一段时间里，由于缺少更 为有效静泵漓源，对掺y 护+ 激光晶毒搴激光褴能静磺究几乎照予停滞状态。逡入 9 0 年代，随麓i n g a a sl d 的发展和成本的降低【2 3 】，掺y b 3 十激光晶体的研究成为 热点。国际上许多著名的研究机构，如美国的林肯实验室( m i t ) ，休新研究实验 室；德国的期图加特大学等棚继展开相关研究。国内，中科院上海光枫所、山东 大学等单位也相继开展了研究。目前，对其光谱和激光性能滋行了较全面研究的 是y b ：y a g 菇体、y b 酣掺杂磺灰石缝构曩傣鞠一些其毒蠡售频效应熬晶体。下嚣 综述近年y b ”离子激光晶体的研究进展。 。3 2 1y b ：y a g 鑫体在嚣蓊研究静掺y 护+ 激光螽 搴中，y b ：y a g 熬体峦子爨有 良好的光谱性能、优异的光学、热力学和机械性能丽成为掺y b 3 + 激光晶体的佼 佼者【2 4 1 。中羊年院上海光梳所的尹红兵等人研究了y b ：y a g 晶体中色心的形成机 制以及消除的办法 2 5 1 。王永国等人成功的生长出了大尺寸赢质量的y b ：y a g 磊 体，寻找出了合适的退火条件，并得到了y b ：y a g 晶体在9 3 9 n m 处的吸收系数 与原始掺杂浓度之阉瓣越线关系【2 6 1 。豫晓衷等人研究了y b ：y a g 晶体孛y b 枣 子的分凝系数与掺杂浓度的关系，推导出了晶胞参数、密度与离子掺杂浓度的关 系方程式1 2 7 】。 激光器发展的一个主要圈标是发展l d 浆浦的全固化高功率器件。方案之一 是利溺低掺杂浓度、长棒y b ：y a g 潞体增益介质，以利夫葵尔实验鬟帮h u g h e s r e s e a r c hl a b 为代表。方案之二是利用高掺杂浓度微片y b ：y a g 晶体，以林悔实 验室和斯图加特大学为代表。1 9 9 1 年林肯实验室级轴泵浦y b ：y a g 晶体，并提 出采用高掺杂、薄片增益分暌，以馒冷却以及降低热逶镜效皮和应力弓l 起的双季厅 射1 2 ”。其后f a n 描述了y b ：y a g 晶体微片激光器的模型【2 9 】。上海光机所利用钛 宝磊激光器泵瀵掺焱2 0 a t 麴y b ：y a g 鑫褡徽片，在1 0 5 3 n m 处获褥4 0 0 w 戆连 续激光输出 3 0 1 。安徽光机所采用9 4 0 n m 激光二极管取程泵浦l m m 厚的薄盘 粥1 章绪论 曼曼舅魁删| 曼笆寰皇鼎曼皇曼蝴i l l l l i l lm i i i i i l l l l 篁曼曼 y b ：y a g 鑫体，获褥了1 0 3 0 m n 戆激光输窝f 3 l 】。y b ：y a g 磊体勇一个重点内容是 实现超快一毪秒激光输出。1 9 9 6 年瑞士联邦技术研究所报遵钛宝石激光器泵溱携 y b ：y a g 品 率获得5 4 0 f s 及1 5 0 w 的激光输出，这燕首次对y b ：y a a 晶体作为飞 秒超短脒冲器体懿磷究【3 朝。2 0 0 0 年德稍获褥蜂篷功率为5 6 0 k w ，平均功率1 6 。2 w ，脉冲宽鹰为7 3 0 r s 的激光输出。 ，3 2 。2 掺￥b ”磷灰五缝槐曩侮掺驹3 + 骥获石辊翰鑫签主簧毽括y b ：s r s ( p 0 4 ) 3 f ( 简称y b ：s - f a p ) 和v b ：c a s ( p 0 4 ) 3 ( 简称y b ：f a p ) ，其最大特点是光谱性能优异， 其窍阕 童 蔻、蹭蕊大、效率高零袋本稳等饶点。缺点是这炎晶俸静热力学黻能帮 机械性能均不好、生长过瑕中由于组分严黧挥发丽难以获得高质量大尺寸单晶。 对y b ：s f a p 和y b ：f a p 晶体，由于吸收系数较小，通常采用端谣泵浦。v b ：f a p 晶体吸收带为9 0 0 9 5 0 n m ，可连续输出波长1 0 4 3 n m 的光，效率达7 8 1 3 4 ) 。y b ：s - f a p 在9 0 0 n m 附近具有吸收线宽约为4 n m 的吸收带，可由i n g a a s 二极管阵列 乍为泵 清源。与冀它掺y b p 激光菇体不同的是y b ：s f a p 燕髂的吸收和发射截蘑都比较 大，容易实现粒子数反转。美国利夫莫尔圈家实验的b a y r a m i a n 等人生长了 v b ：s b f a p 磊落，势磅究了宅豹竞港帮激光整戆。y b ：s b - f a p 翡最大薅煮建蔽毂 线宽和发射线宽均较y b ：s - f a p 和y b ：f a p 宽口5 1 。 1 3 2 ，3 掺￥b 激先鲁信赣晶体些掺￥b h 激光磊俸通过倍频可珏获得箍一绿 光，因此一魑具有国倍频效应的晶体受到了人们的广泛重视。目前在此类晶体中 主要有v b ：y a b 、y b ：y c o b 和y b ：g d c o b 。w b ：y a b 即y b ：y a l3 ( b 0 3 ) 4 晶体，y a b 晶体 的非线性光学系数在四硼羧双盐中是最大的，约为k d p 鑫体的3 9 僚姗。山零大 学的王继杨等人从1 9 9 6 年就开始对此晶体进行了系统的研究，测艇了吸收谱并 诗冀了v b ：y a b 晶嚣豹吸收裙发射截瑟，建立了良好熬磅究基础i ”l 。 y b ：y c o b ，即y b y c 凰o ( b 0 3 ) 3 ，荧光寿命长( 为y b ：y a g 晶体的2 4 倍) 、吸收带 宽( 8 5 0 1 0 5 0 n m ) 、发射谱带宽( 9 4 0 1l o o n m ) ； 线性系数大，损伤阚谴商，鼗实 现自倍频运转并具有一定的调谐波长范围( 1 0 2 0 1 0 9 0 n m ) 等特点，是种新的激 光倍频和舀倍频晶体。孟究林等入绢l d 泵浦y b ：y c o b 晶体，获得了4 4 6 4 m w 的激 光输出功零，斜率效率高达7 3 l ”j ，并发现衡自倍频绿光。 w b ：y g d c o b 即y b ：c a 4 g d o ( b 0 3 ) 3 属准三能级激光晶体，其优点为温度变化5 0 。c 辕躜功率 叉减少3 0 ，两固榉条 孛下y a g 竣熬减少是5 0 ；v b ：s f a p 瀑度舞藏2 0 “c ， 输出功率减少3 8 。其原因在于晶体场s t a r k 能级分裂大( 1 0 0 3 c m “) ，高于y b ：y a g 北荥工业火学：c 学硕士学位论卫 ( 6 2 8 c m - 帮y bz s f a p ( 6 0 0 c m ) ，i n 褥该激光骞5 3 n m 静谲谐范蘧，愚巴氧确掺 杂晶体中最大的。 1 3 2 ，4 掺抽3 钨酸靛激竞黼体y b ：k y ( w 0 4 ) 2 和y b ：k g d ( w o 2 分踟简称为 y b ：k y w 稠y b ：k g w 晶体，具有楣 姓的激光性能：发射截薅分别为3 1 0 c 毋( 1 0 2 5 n m ) 和2 8 1 0 - m 2 ( 1 0 2 6 n m ) ，泵浦饱和强度为8 5 k w c m 2 ，已实现擞温连续激光输出； 波长藏匿走1 0 2 6 1 0 4 4 n r a , 粟薅9 8 0 h m 戋野藕食；激光二掇謦褒瀵籀效率迭懿 5 3 。对y b ：k g w 激光晶体进行双端抽运，得到的最缀脉冲为1 0 0 f s 中心波长为 1 0 5 3 n m ，平均稳塞功率为2 0 0 m w 。弦l i u 等人在实验中突魂了y b ：k y ￥囊癌动鑫镄 模运转。得到中心波长为1 0 5 7 n m 、平均输出功率为1 2 0 m w 的7 1 f s 越短脉冲- 重 复率海l i 0 溅z 泌 。 z n w 0 4 属于黑钨矿结构，一致熔融晶体，可以在大气气氛下采用c z o c h r a l s k i 方法生长出大尺寸商质量的荦晶。本实验室长期以来对z n w 0 4 晶体掺杂稀土离子 获褥激光输搬进行了系统的积究。z n w 0 4 ：c r 楚较早的实现可壤谐激光振荡的燕体 之：研究了c r 3 十离子浓度对发光的影响，确定了最佳掺杂浓度，并对位错影成 极铡、燕镶影羧霸霞错分蠢l 莲行了垂秀突，生长空霞爨密度较低豹萃熬l ”i ；攫据光 谱分析，采用红宝石激光泵浦室温下获得脉冲激光输出i ，并分析了泵浦方 式与磊俸方翔稻馕掇狡态对激光输滋豹彩嫡琊】。m n 2 + 掺杂的z n w 0 4 已经生长嬲光 学质疑的单晶，光谱分析表明z n w 0 4 ：m n 晶体有可能农可见光区产生宽带可调谐 激光1 4 4 1 。利用4 0 r o wh e n e 激光器的6 3 3 n m 静激光裘浦z n w 0 4 ：s m 3 + ，观察到了上 转换发光的精细荧光谱。通过长期对z n w 0 4 晶体的系统磅究，本实验室掌握了大 量z n w 0 4 晶体结构、生长特性等方面的信息，为y b ：z n w 0 4 激光晶体的研究提供 了理论积实验手段方嚣款支拷，对y 护+ ：z n w 0 4 激光鑫体戆硬究垮在第二搴详缨戆 阐述。 4 论文主要研究内容 论文主要研究掺y b 3 + 离子的三种激光晶体：y b 3 + ：z n w 0 4 ，y b 孙：l i n b 0 3 和 y b 3 + ：y a g 。 豢绫磺究y b 3 + ：z n w 0 4 菇体豹生长工艺、缺隧鄹离子掺袈浓度，迭行光谱测 试并计算得出相应的吸收和荧光截面，分析y b 3 + 离予在z n w 0 4 晶体中的能级结 构：确定y b 3 + ：l i n b 0 3 磊钵台逶茨生长工艺参数，邋李亍光谱测试，德到啜浚秘荧 帚l 革媾论 g 自! | _ _ e _ 目i i ! ! l ! l l !i i i i , , i u i i i i i i i i e 目 光缓嚣，分掇y b 3 十离予在l i n b 0 3 鑫髂中懿能缀结憨，磷究y b 3 + ：l i n b 0 3 磊俸的 自倍频性能；生长y b 3 + ：y a g 照体，避行光谱溪试，确定y b 3 + 褰予在y a g 熬俸 中的能级结构。 做出y b 3 十离子的能级“重心图”，推导比y b n 离子和n d n 离子基态最大分裂 能之间的关系，利用j u d d o f e l t 理论计算得出y b 3 t 离子在z n w 0 4 ，l i n b 0 3 稠y a g 晶体中的相关光谱参数。 北柬工业丈学工学硕j ：学位论文 i i i l i f ti ij j lt i l l s ! 第2 章￥b 3 + ：z n w o 。晶体生长和光谱实验 2 ， 熔髂法生长艨瑾 从熔体中生长晶体的研究已有很长的历史了。自从上一世纪末到本世纪2 0 年代，溶俸訾兰长的几种主要方法就己陆续建立，其中焰熔法生长宝石的研究撩早 获得了工业上的应用。4 0 年代晶体镄的研制成功，6 0 年代钰宝磊受激发射蛉发 现，以及近年来以单鼯为基艨的大规模集成电路、集成光路和超导薄膜的迅遮发 展，酆对单鼹提出了燹毫的要求，即大尺寸、裹霪量秘多鑫糖。这些燕体戆生长 以及单晶纤维的制备也对生长设备掇出了更精密的要求。这贼不同的需要对熔体 生长戆技术、z 艺稻理论兹发震蒸怒了基大匏摧麓份爱。爱之，现代科学技沭豹 发展也使原来人们梦寐以求的生长方法得以实现，所以熔体生长的工艺和科举日 益成熬。 从熔体中生长晶体是制备大单鼎和特定形状的单晶最常用的和最重要的一 种方法。熔体生长过程只涉及固一液相变过程，这是熔体在受控制的条件下的定 向凝阑过程。在该过程中，服子( 或分子) 随孝几堆积的陛列转变成必毒序降列， 这种从无对称结构到有对称结构的转变不是一个整体效应，而是通过固一液界面 致移动瑟遥澎宠残斡。 熔体生长的目的是为了得到高质量的单晶体，为此，首先要在熔体中形成 令警磊核。然螽，在磊棱秘络俸静交赛面上不断的送行原子戴分子秘藿薪簿捌丽 形成单晶体。只有当晶核附近熔体的温度低于凝固点时，晶梭才能继续发展，因 此生长着的界面必须处于过冷状态。然而，为了避免出现新的晶核引超生长界面 的不稳定性，过冷区必须集中予界隧醛近狭小的范围之内，灏熔体的其余部分则 处于过热状淼。 在这穆楱援下，结器过程中释数斑寒款漤热不可透过熔接导走，瑟必须通 过生长着的晶体导走。通常，使生长着的晶体处于较冷的环境之中，由晶体的传 导帮褒嚣辐射导走熟譬。淹蓑赛嚣商溶钵发袋，赛嚣辫运豹遥冷凄将逐滚趋遥于 零，为了保持一定的过冷度。生长界面必须向着低温方向不断离开凝固点等温面， 只有这样，生长过程才麓继续进行下去。另一方面，潞体的温度通常谶高于室温， 为了使熔体保持适当的温度，必须由加热器不断的供应热量。上述的热传输过程 在生长系统中建立起一定的濑度场，并决定了固液界面的形状。瀚此，在烙体 第2 常y b p ：z n w 0 4 晶体生长和光谮实验 墨i i i , i 鼎鼎鼍蔓曼舞哟蝌皇曼曼拦皇曼皇鲁寰鼎舞些曼曼尊簟搿拦曼詈奠期舞姥曼置舞鼎嘲基曩 堂长过程中，热量瓣蒋输阉题将怒饕支配幸蕈爆。 此外，耐于那蝗掺质的戚非同成分熔化的化台物，在界颟上会战现溶攒分凝 嗣瑟。分激问题盘羿面附遴溶质的浓度所支黼，而籍者则取决于熔体中溶质的扩 散靼黠流传输过程。因此，溶矮健输趣题也是熔俸生长过援中蛉一个重要瓣题。 2 2 晶体生长 2 。2 ， 爨料台戏 原料合成是晶体生长的第一