（凝聚态物理专业论文）nd：ybvo4激光晶体的结构及光谱热学性质研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 晶体作为固体激光器的主要物质之一，因为其优良的光学、物化、机械和 热学等性能而成为研究的重点，并得到应用与发展。自1 9 6 1 年首次观察到n d 3 + 离子在c a w 0 4 晶体中的激光输出以来，n d 3 + 离子由于其丰富的离子能级，且其 8 0 8 n m 的吸收峰与泵浦源的泵浦波长相匹配，以及较大的吸收和发射截面的特 性，成为激光晶体中普遍使用的激活离子。n d 3 + 离子掺杂到不同的钒酸盐基质 晶体中，其中n d ：y v 0 4 晶体已经成为商用中小型激光器的主要材料，而 n d ：g d v 0 4 晶体则更适用于高功率l d 泵浦的固体激光器。我们所研究的 n d ：y b v 0 4 晶体作为一种新型的掺n d 3 + 离子的激光晶体，其易于加工，化学性 质稳定，具有良好的光学均匀性和热学特性。综上，对该晶体的研究不但完备 了对掺稀土离子钒酸盐晶体的光学和热学性能认识，而且为下一步的激光特性 打下基础。本论文主要研究如下： 一、总结了固体激光器的发展过程、应用、特点，从激光晶体的分类、优 良的激光晶体所具备的特点入手说明了晶体作为固体激光器工作物质之一的优 势。总结了n d 3 + 离子作为掺杂离子在晶体中的发光特点以及各种掺n d 3 + 离子的 激光晶体在应用上的优缺点。 二、介绍了晶体的晶格振动光谱，包括拉曼光谱和红外吸收光谱。介绍了 拉曼光谱的的经典和量子理论，并与红外吸收光谱相比较，明确了其各自的特 点，并对振动光谱的选择定则进行了详细的阐述。通过商群理论，对n d ：y b v 0 4 晶体的简正振动模进行了分类，确定了晶体的拉曼活性振动模，分别为5 a i g 、 7 8 1 9 、2 8 2 9 、1 0 e g ，以及红外活性振动模，分别为2 a 2 9 、9 e l l ，并利用共焦显微 拉曼光谱仪通过选取四个不同的几何配置测得了其偏振拉曼光谱，利用红外光 谱仪测量了红外吸收光谱，并指认了各拉曼和红外活性振动模所对应的振动频 率，确认了y b v 0 4 晶体适宜n d 3 + 离子的掺杂。全面的研究了v 0 4 3 离子集团的 振动方式。 三、介绍了j - o 理论及公式，测量了n d ：y b v 0 4 晶体的紫外可见近红外吸 收谱，得到了中心波长为8 0 8 r i m 吸收峰的半高宽为1 2 r i m ，并在j - o 理论的基 础上，计算了晶体的光学参数，其三个晶场参数分别为q ，= 6 8 8 9 4 5x1 0 - 2 0 c m 2 、 q 4 = 4 1 3 3 9 4 x1 0 - 2 0 c m 2 、q 6 = 4 5 4 5 0 3 xl o 2 0 c m 2 ，并由此得到4 f 3 陀能级的荧 摘要 光寿命为1 7 8 6 9l as ，1 0 6 2 n m 处的荧光分支比为4 8 8 5 ，积分发射截面为 2 7 8 6 7 x1 0 j 8 啪? 。分别在8 0 8 n m 、9 4 0 n m 激发下测得晶体室温发射谱，观察到 了n d - - y b 以及n d - - y b 间的能量传递现象，测量了在1 0 2 0 、1 0 6 2 n m 发射的 晶体的激发谱。 四、简单的介绍了物质热膨胀的物理意义，实验中测量了n d ：y b v 0 4 晶体 三个方向的热膨胀系数，分别为吼= 2 5 x1 0 巧置、a b = 2 6 x 1 0 - 6 k 、 a t e = 8 7 x1 0 6 k 。阐述了固体的热容与比热，实验中得到的定压比热为 1 2 9 4 6 1 8 6 9 9j k m o l 。列举了热传导的宏观与微观规律，利用晶体的密度和 比热计算了热导率，得出a 向和c 向的热导率都随温度的升高而降低，且c 向 的热导率高于a 向，比较了几种结构上相似的晶体的热学性质，n d ：y b v 0 4 晶体 的热学性能适中，适于中小功率激光器。 关键词：n d ：y b v 0 4 晶体、拉曼光谱、吸收光谱、荧光光谱、热学性质 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a so n eo ft h ep r i m a r ym a t e r i a l so fs o l i d s t a t el a s e r , b e c a u s eo fc r y s t a l s p r o p e r t i e so f9 0 0 do p t i c s ，p h y s i c sa n dc h e m i s t r y , t h e r m o t i c se t c ，i th a sb e c o m et h e e m p h a s i so fs t u d ya n dh a sb e e na p p l i e da n dd e v e l o p e d s i n c eo b s e r v e dt h el a s e r o u t p u to fn d i o ni nt h ec a w 0 4c r y s t a li n 19 6 1 ，b e c a u s eo ft h ep r o p e r t i e so f a b u n d a n ti o ne n e r g yl e v e l ，m a t c h i n gb e t w e e nt h ea b s o r p t i o np e a ko f8 0 8 n ma n d p u m p e dw a v e l e n g t ho fp u m p i n gs o u r c e , h i g l la b s o r p t i o na n de m i s s i o nc r o s ss e c t i o n , n d 3 + i o nh 硒b e c o m et h ea c t i v ei o nt h a tw a su s e dg e n e r a l l y t h en d 3 + i o nw a sd o p e d i nd i f f e r e n tv a n a d a t eh o s tc d ，s t a l s ，n d ：y v 0 4c r y s t a lh a sb e c o m et h ep r i m a r y m a t e r i a lo fc o m m e r c i a lm e d i u ma n ds m a l ls i z e dl a s e r , n d ：g d v 0 4c r y s t a lw a s a p p l i c a b l ef o rh i g h - c a p a c i t yl dp u m p i n gs o l i d s t a t el a s e r a san e wl a s e rc r y s t a l d o p e dn d 3 + i o n , n d ：y b v 0 4c r y s t a lw a se a s yt ow o r k , c h e m i c a lp r o p e r t yw a ss t a b l e ， h a dg o o do p t i c a lh o m o g e n e i t ya n dt h e r m a lp r o p e r t y a b o v ea l l ，t h es t u d yo nt h i s c r y s t a ln o to n l ye x t e n dt h ek n o w l e d g eo fo p t i c a la n dt h e r m a lp r o p e r t i e so fv a n a d a t e c r y s t a l s ，b u tm a k et h ef o u n d a t i o no f l a s e rp r o p e r t y ( 1 ) t h ed e v e l o p i n gc o u r ，a p p l i c a t i o n , c h a r a c t e ro fs o l i d - s t a t el a s e rw e r e s u m m a r i z e d , f r o mt h ec h a r a c t e ro fg o o dl a s e rc r y s t a l ，t h ea d v a n t a g eo fc r y s t a la so n o o fm a t e r i a l so fs o l i d - s t a t el a s e rw a se x p l a i n e d t h ec h a r a c t e ro fl i g h t e n i n gi nc r y s t a l d o p e dn d 3 + i o n , a d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo fa p p l i c a t i o no fm a n yk i n d so fl a s e r c r y s t a ld o p e dn d j 十i o nw e r es u m m a r i z e d ( 2 ) t h ev i b r a t i o ns p e c t r u m so fc r y s t a li n c l u d i n gr a m a na n di n f r a r e da b s o r p t i o n s p e c t r o s c o p yw e r ei n t r o d u c e d t h ec l a s s i c a l a n dq u a n t u mt h e o r yo fr a m a n s c a t t e r i n gw e 他i n t r o d u c e dp a r t i c u l a r l y , c o m p a r e dr a m a na n di n f r a r e da b s o r p t i o n s p e c t r o s c o p y , t h ec h a r a c t e r sw e r es p e c i f i cr e s p e c t i v e l y , a n de l e c t i o nr u l e so f v i b r a t i o ns p e c t r u mw a se x p a t i a t e di nd a t a i l b a s e do nt h e o r yo ff a c t o rg r o u p ，t h e n o r m a lv i b r a t i o nm o d eo ft h ec r y s t a lw a ss t a p l e d , t h er a m a n - a c t i v ev i b r a t i o nm o d e s 哪c o n f i r m e d , t h e ya r e5 a i g 、7 b l g 、2 8 2 9 、10 e gr e s p e c t i v e l y , a n di n f r a r e d - a c t i v e v i b r a t i o nm o d e sw e r e2 4 9 、9 e i ir e s p e c t i v e l y , t h er a m a ns p e c t r u mw a sm e a s u r e db y t h em i c r o r a m a ns p e c t r o p h o t o m e t e r , w i t hf o u rd i f f e r e n ts c a t t e r i n gg e o m e t r y , t h e 摘要 i n f r a r e da b s o r p t i o ns p e c t r u mw a sm e a s u r e db yi n f r a r e ds p e c t r o p h o t o m e t e r , t h e v i b r a t i o nf r e q u e n c yo fr a m a na n di n f r a r e d a c t i v ev i b r a t i o nm o d ew e r es i g n e d ，t h e m o d eo f v i b a t i o no f v 0 4 。i o ng r o u pw a ss t u d y e dr o u n d l y ( 3 ) j ot h e o r ya n df o r m u l aw e t ei n t r o d u c e d ，u l t r a v i o l e t v i s i b l e - n e a ri n f r a r e d a b s o p t i o ns p e c t r u mw a sm e a s u r e d ，t h ef u l lw i d t ha th a l fm a x i m u mo fa b s o r p t i o n p e a ka tc e n t r a lw a v e l e n g t ho f8 0 8 n mi s12 n m b a s e do nt h ej u d d o f e l tt h e o r y , t h e t h r e ei n t e n s i t yp a r a m e t e r sh a v eb e e nc a l c u l a t e da n dt h er e s u l t sa l e q 2 = 6 8 8 9 4 5 x 1 0 - 2 0 c m 2 ，q 4 = 4 1 3 3 9 4 1 0 2 0 c i t l 2a n dq 6 = 4 5 4 5 0 3 x1 0 2 0 c n l 2 t h er a d i a t i v e l i f e t i m eo f 3 忍i s17 8 6 9l as ，b r a n c h i n gr a t i oa t10 6 2 n mi s4 8 8 5 ，d i f f e r e n t i a l s t i m u l a t e d - - e m i s s i o nc r o s ss e c t i o ni s2 7 8 6 7 x1 0 - l s c r n 2 f r o mt h ef l u o r e s c e n ts p e c t r a e x c i t e db y8 0 8 n ma n d9 4 0 n m ，t h en d y ba n dn d y be n e r g yt r a n s f e rh a v eb e e n o b s e r v e d ( 4 ) t h ep h y s i c a lm e a n i n go fm a t e r i a lt h e r m a le x p e n s i o nw a si n t r o d u c e ds i m p l y , t h e c r y s t a l sc o e f f i c i e n to ft h e r m a le x p e n s i o no ft h r e ed i r e c t i o n sw e r em e a s u r e di nt h e e x p e r i m e n t ，t h e ya r e 吒= 2 5 x 1 0 _ 6 k 、= 2 6 1 0 - 6 k 、吼= 8 7 x 1 0 _ 6 k r e s p e c t i v e l y t h eh e a tc a p a c i t ya n ds p e c i f i ch e a to fs o l i dw e r ee x p a t i a t e d ，b a s e do n d u l o n g sl a wa n dk o p p sl a w , t h ec o n s t a n tv o l u m es p e c i f i ch e a tw a sc a l c u l a t e d , i ti s 116 8 j k 。m o l ，t h a th a v ed i f f e r e n c ec o m p a r i n g 、斩mc o n s t a n tp r e s s u r es p e c i f i ch e a t 1 2 9 4 6 18 6 9 9j k t 0 0 1 t h em a c r o g r a p h ya n dm i c r o s c o p i cl a w o ft h e r m a l c o n d u c t i v i t yw e r el i s t e d ，t h ec o e f f i c i e n t so ft h e r m a lc o n d u c t i v i t yw e r ec a l c u l a t e db y t h ed e n s i t ya n ds p e c i f i ch e a t ，t h ec o e f f i c i e n t so ft h e r m a lc o n d u c t i v i t yo faa n dc d i r e c t i o nb e c o m el o wa st h et e m p e r a t u r eb e c o m eh i 曲，a n dt h ecd i r e c t i o n si sh i g l l e r t h a nad i r e c t i o n s k e y w o r d s ：n d ：y b v 0 4c r y s t a l ，r a m a ns p e c t r a , a b s o r p t i o ns p e c t r a , f l u o r e s c e n t 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 金晶 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文口 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：金矗导师签名：。夏丕盗日 期：丝至：! ：三， 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 = 1 固体激光器 1 1 1 固体激光器发展及应用 随着六七十年代红宝石、钕玻璃和n d ：y a g 激光器的相继研制成功，固 体激光单元器件和振荡、放大、调q 、锁模和选模等技术和应用都获得了发展。 八十年代后更进入了固体激光器复苏的新发展时期，高功率固体激光器、可调 谐固体激光器和高效率固体激光器，特别是以二极管泵浦固体激光器的得到迅 速发展。九十年代固体激光器保持了持续发展的势头，其中以高功率固体激光 器和二极管泵浦激光器及其应用研究的新进展尤为引人瞩目。迄今已实现激 光振荡的固体激光工作物质有数百种之多，激光谱线数千条。固体激光器在工 业激光材料加工、激光医学、激光化学、科学研究与发展以及国防军事等方面 获得广泛的应用，已用于激光打孔、焊接、切割、微调、划片、打标、热处理、 手术刀、医学诊断、目标指示、激光雷达、全息摄影、激光存储、激光测污和 环境监控、遥感、水下探测、激光光谱分析、激光测距、制导、致眩和惯性约 束聚变等，形成了相当广阔的世界固体激光市场【1 1 。 1 1 2 固体激光器特点 固体激光器以固体作为工作物质，包括绝缘晶体和玻璃两大类。工作物质 是在基质材料中掺入激活离子( 金属离子或稀土离子) 而制成。基质为激活离子 提供一个环境( 亦即配位场) ，主要决定材料的光学、物化、机械和热学等性能； 而工作物质的能级结构、荧光特性和激光性能则主要由激活离子和所处的配位 场决定，后者既与激活离子有关，又与基质材料有关1 2 1 。目前，常用的固体激 光工作物质有红宝石、掺钕钇铝石榴石( n d “：y a g ) 和钕玻璃。它们的特点之 一是介质中掺杂离子浓度比较高，因此，尺寸较小的固体工作物质能储存较多 的能量，容易得到高能量的输出，并适合运用q 开关技术产生大功率的激光脉 冲【2 】。 第一章绪论 固体激光器的工作方式主要分为脉冲和连续两大类。用连续光源泵浦的固 体激光器，在稳态条件下能长期稳定地输出激光。目前，n d ：y a g 激光器可在 水冷下连续工作，单根y a g 可输出功率上百瓦，数根y a g 串联可达上千瓦。 脉冲泵浦的固体激光器，其脉冲输出可按一定的重复频率输出。低重复频率， 工作状态为每秒几次；高重复频率工作状态为每秒几十次到上百次。中小型器 件一个激光脉冲的输出能量为焦耳、毫焦耳级，大型的可达万焦耳。调q 脉冲 激光器的脉冲时间可压缩到纳秒，峰值功率可达千兆瓦级【2 】。 固体激光器具有输出能量大、峰值功率高、器件结构紧凑、便于光纤藕合、 比c 0 2 气体激光器波长短、使用寿命长和单元技术成熟等优点。其主要缺点是 常规惰性气体放电灯泵浦固体激光器效率低、热效应严重，限制了输出功率的 进一步提高和光束质量的改善【l 】。 1 2 激光晶体的发展及特点 1 2 1 激光晶体的特点 激光晶体是晶体激光器的工作介质，它一般是指以晶体为基质，通过分立 的发光中心吸收光泵能量并将其转化成激光输出的发光材料。晶体激光器是固 体激光器的重要成员，与玻璃激光器相比，它具有较低的振荡阈值，较易实现 连续运转。它可分为掺杂型激光晶体，自激活激光晶体，色心激光晶体相激光 二极管四类。绝大部分激光晶体都是掺杂型激光晶体它是由激活离子和基质 晶体两部分组成。常用的激活离子绝大部分是过渡金属离子和稀土金属离子【3 l 。 激光晶体对基质晶体的要求是其阳离子与激活离子半径、电负性接近，价 态尽可能相同，物理化学性能稳定和能较易生长出光学均匀性好的大尺寸晶体。 基本符合上述要求的基质晶体主要有氧化物和氟化物二大类。氧化物晶体通常 熔点高、硬度大、物理化学性能稳定，掺入三价激活离子不需要电荷补偿，因 此是研制最多、应用最广的一类基质晶体【3 】。 1 2 2 激光晶体的发展1 3 l 随着半导体激光泵浦的固体激光器，固体可调谐激光器及高功率固体激光 2 山东大学硕士学位论文 器取得了重大进展，可调谐激光晶体，高平均功率密度激光晶体，新波长激光 晶体以及作为固体激光光泵源的半导体激光晶体取得了引入注目的发展。 可调谐激光晶体借助过渡金属离子( 卜一d 跃迁易受晶格场影响的特点而使 其激光波长在一定范围内可以调谐。c ，：l i c a a i f 6 和c ，：l i s r a i f 6 是目前最好 的掺c 一的可调谐激光晶体，调谐范围为0 7 8 r 1 0 1um 。这两种晶体前者力学 性能好后者激光性能较好。c ，：m g s i 0 4 是荧光宽度最宽( 6 8 0 - - 1 4 0 0 n m ) 的可 调谐晶体这可能是晶体中同时存在c ，与c ，离子的结果。 高平均功率密度固体激光器在材料加工、军事、医学和科研上有迫切的需 求，其中作为高平均功率密度激光晶体代表的n d ：y a g 激光器输出达到千瓦 级高平均功率密度。此外，在石榴石基质基础上已发展了优质大尺寸的钇稼石 榴石。n d ：g d 3 g a 5 0 1 2 ( n d ：g ( ) ，它比y a g 易生长，并较适于激光二极管泵浦。 尽管人们已从多种稀土掺杂晶体中获得了不同波长的激光，但进入实用的 波长还只有n d 3 + 离子的1 0 6 0 r i m 左右的几条谱线。近年来人们开始注意新波段 的工作，比较重要的是波长在2 _ 3 | lm 的中红外晶体。如e r l 5 y i s a j 2 0 1 2 ( 2 9 4 i lm ) ，由于此波长对水的吸收系数为l ( 对比1 0 6 um 只有1 0 4 ) ，因此3l am 激 光器在医学上有广泛应用。e r y a g 已在外科、神经外科、牙科和眼科实际临床 中应用。 目前g a a l a s g a a s 材料体系的半导体量子阱激光器研制已达到很高水 平，它的一个重要应用是泵浦激光晶体，用于转换成相干性辐射。这种泵浦形 式不仅光谱匹配好，转换效率高，而且泵浦波长接近激光上能级，把泵浦过程 中工作物质的热效应减到最低程度，从而大幅度地改善了激光器的质量。 1 2 3 优良的激光晶体具备的特点1 3 i 良好的荧光和激光性能。为了获得较小的阈值和尽可能大的激光输出能量， 一般要求材料在光源辐射区交界有较强的有效吸收而在激光发射波段上应无 光吸收。要有强的荧光辐射，高的量子效率，适当的荧光寿命和受激发射截面 等。 优良的光学均匀性。晶体内的光学不均匀性不仅使光通过介质时波面变形， 产生光程差，而且还会使其振荡阈值升高、激光效率下降。光束发射度增加。 3 第一章绪论 晶体的静态光学均匀性好即要求内部很少有杂质颗粒、包裹物、气饱、生长 条纹和应力等缺陷，折射率不均匀性尽量小。晶体的动态的光学均匀性要好就 要求该材料在激光作用下不因热和电磁场强度的影响而破坏晶体的静态光学 均匀性。 良好的物理化学性能。要求热膨胀系数小，弹性模量大，热导率高，化学 价态和结构组分要稳定，还要有良好的光照稳定性等。还要求能容易制得大尺 寸光学均匀件良好的单晶，易于加工。 1 3 稀土离子与稀土激光晶体 1 3 1 稀土离子的特点 稀土元素是化学性质非常相似的一组元素，在元素周期表上是从5 7 号元素 的镧到7 l 号元素的镥，共十四个元素，他们之间的差别只是壳层中电子的填充 数目，电子结构的形式是1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 6 3 d 1 0 4 s 2 4 p 6 4 d 1 0 5 s 2 5 p 6 ( 4 f n 或4 5 d 6 s 2 ) ， 其中l a 、c e 、g d 、l u 为4 f n 一6 s 2 ，其余的元素为4 一。5 d 6 s 2 他们相继失去电 子后可以形成各种程度的离子。晶体中的稀土离子，由于5 s 2 ，5 p 6 壳层的屏敝 作用，晶场作用只对4 f 电子产生很弱的微扰，因此，他们的光谱和自由离子情 况很相似。 目前已知的激光晶体有三百多种，主要是氟化物或氧化物，其中接近三百 种是掺入稀土作为激活离子的，稀土中已实现激光输出的有c e 3 + 、p r 3 + 、n d 3 + 、 s m 3 + 、 e u 3 + 、t b 3 + 、 d y 3 + 、h o ”、e ，、t m ”、) 3 + 共1 1 个三价离子， 和s m 2 + 、d 1 i ，2 + 、t m 2 + - - 个二价离子，但只用了4 8 个f f 跃迁，激光输出波长 为0 4 5 5 1 5pm 。近来又实现了三个d - f 跃迁的激光输出，使激光波长的范围扩 展至真空紫外【4 】。 1 3 2n d 3 + 离子的特点 n d 3 + 离子是最早使用的三价稀土离子5 1 。n d 3 + 离子最外层电子构型为4 f 为 基态能级。在晶体中，n d 3 + 有8 个4 户4 p 和1 个4 f 3 5 d 1 4 p 跃迁通道。主要利用 4 f 3 忽- 4 l l l 陀和4 f 3 忍- 4 1 1 3 忍的跃迁产生近红外激光发射，这满足激光输出的四能级 4 山东大学硕士学位论文 系统。n d 3 + 离子具有较大的吸收和发射截面，这为低阈值连续和脉冲激光实验 创造了有利的条件睁1 0 1 。n d 3 + 离子也可以通过掺杂敏化离子来提高激光效率。 。d h h 4 i _ 舱 - l 啊 | l t r t 1 f 图1 1n d 3 + 离子能级图 自激光二极管作泵浦源实现以来，n d 3 + 离子的8 0 8 n m 吸收峰与a l g a a sl d 泵浦源的泵浦波长完全匹配，使得n d 3 + 离子在2 0 0 多种基质材料中都实现了激 光发射【l l 】。除了近红外发射，丰富的离子能级又使得n d 3 + 离子可以在其他的中 间态之间实现近紫外及可见区发射。利用低温环境，r m m a c f e r l a n e 1 2 】等在l a f 3 中实现了0 3 8i im ( 4 d 3 尼一4 i l l ，2 ) 的近紫外输出。同时，由于n d 3 + 离子4 f 3 尼能级与 y b 3 + 离子2 f 5 2 能级很接近，而使n d a + 离子与y b 3 + 离子很容易发生能量传递， m r o b i n s o n 等人就在n d ：y b ：c a f 2 晶体中观察到了1 0 3 3 6pm 的y b 3 + 离子的激 光发射f 1 3 】。目前，n d 3 + 离子以其优异的离子特性，被广泛应用在y 3 砧5 0 1 2 【1 4 1 、 y a l 0 3 【阍、y v 0 4 t 1 6 1 、l i y f 4 1 7 】以及k g d ( w 0 4 ) 2 1 8 1 等激光晶体当中，成为当前最 广泛使用的激活离子之一。 1 3 3 几种掺s d 3 + 离子的激光晶体的特点 n d ：y a g ( n d ：y 3 灿5 0 1 2 ) 是综合指标最好的晶体，它的吸收峰在8 0 8 n m 处的 半峰宽仅为o 8 n m ，但其具有很高的量子效率和优越的机械物理热学效应，在 室温下可实现连续和脉冲等多方式运转【1 9 刎，广泛地应用于ll im 波段的固体 激光器及其倍频激光器件。 n d ：y a p ( n d ：y a l 0 3 ) 晶体在li tm 波段的辐射为1 0 7 9 5 i im ，该波长最适合 用于k t p 倍频，而且，n d ：y a p 晶体由于在1 3pm 波段较大的跃迁截面和较好 5 第一章绪论 的光学机械性能而成为1 3um 波段较理想的激光介质，n d ：y a p 晶体还是用于 双波长激光器的最合适的晶体【1 9 1 。 n d ：y v 0 4 晶体是迄今为止所有掺钕晶体中跃迁截面和泵浦光吸收系数最大 的激光晶体，且具有化学稳定性好、泵浦阈值低以及光损伤阈值高等优点，但 由于其热效应较大【2 1 之3 1 ，造成激光的功率调节范围很小，而目很容易会由于热 透镜效应过于强烈而造成腔型失稳，所以，n d ：y v 0 4 晶体一般较适合用于l d 泵浦的激光器，对于其它泵浦方式的激光器不太适合。 n d ：y l f ( n b ：l i y f 4 ) 的荧光寿命约为n d ：y a g 荧光寿命的2 倍，所以它对 于二极管泵浦具有优势。且与n d ：y a g 相比，n d ：y l f 表现出低的阈值。n d ：y l f 的热导率虽然没有n d ：y a g 高，但也可有效的散热。n d ：y l f 中较弱的热透镜 效应与其自然双折射耦合，在某些应用中提供了一些n d ：y a g 所不具备的优点。 n b ：k g w ( n b ：k g d ( w 0 4 ) 2 ) 具有较高发射截面，泵浦阈值低，可掺杂较高 浓度的激活离子，n b ：k g w 对泵浦光的吸收较强，在8 0 8 n m 附近的吸收线的半 高宽为1 2 n m ，比n d ：y a g 的1 s n m 大得多，能容纳l d 发射波长随温度的漂移， 有利于开展二极管泵浦的k g w 激光试验和器件研究。同时其转换效率高，激 光输出能量( 功率) 较耐2 化6 】。 l _ 4 本论文的研究工作 一、系统的总结了固体激光器的发展、应用、特点，以及作为固体激光器 主要物质之的激光晶体的发展、特点，介绍了优良的激光晶体具有的特点， 稀土离子作为激光晶体的激活离子的特点，n d 3 + 离子作为最重要的激活离子的 优势，比较了现在几种研究较为成熟的掺n d 3 + 离子的激光晶体的优缺点。 二、在群论的基础上分析了n d ：y b v 0 4 晶体的晶格振动模，确认了晶体的 拉曼和红外吸收活性振动模。在实验中，在不同的几何配置下，测量了晶体的 偏振拉曼光谱，指认了拉曼活性振动模所对应的频率，并指出y b v 0 4 是适合 n d 3 + 离子掺杂的基质晶体。同时，根据红外吸收光谱，指认了红外活性振动模 式。 三、测量了n d ：y b v 0 4 晶体的紫外可见近红外吸收光谱，并运用j o 理论， 计算了晶体的光学参数，并与其它激光晶体进行了比较。分别在8 0 8 n m 、9 4 0 n m 6 山东大学硕士学位论文 激发下测得晶体室温发射谱，观察到了n d y b 以及n d y b 间的能量传递现 象。并测量了晶体的激发谱线。 四、简单的介绍了物质热膨胀的物理意义，实验中测量了n d ：y b v 0 4 晶体 三个方向的热膨胀系数，阐述了固体的热容与比热，实验中得到的定压比热为 1 2 9 4 6 1 8 6 9 9j k t o o l 。列举了热传导的宏观与微观规律，利用晶体的密度和 比热计算了热导率，得出a 向和c 向的热导率都随温度的升高而降低，且c 向 的热导率高于a 向。 参考文献 【l 】吕百达，固体激光器件，北京邮电大学出版社，2 0 0 2 【2 】杨小丽，光电子技术基础，北京邮电大学出版社，2 0 0 5 【3 】马如璋，功能材料学概论，冶金工业出版社，1 9 9 9 【4 】苏锵，稀土化学，河南科学技术出版社，1 9 9 3 【5 】l f j o h s o n , k n a s s a u i n f r a r e df l u o r e s c e n c ea n ds t i m u l a t e de m i s s i o no fn d 3 + i n c a w 0 4 ，p r o c i r e ，1 9 6 1 ( 4 9 ) ，1 7 0 4 1 7 0 6 【6 】k a m i n s k i i ，l a s e rc r y s t a l ，l z d n a u k a , m o s c o w19 7 5 【7 】八a k a m i n s k i i ，l a s e rc r y s t a l ，n c i rp h y s i c sa n dp r o p e r t i e s ，s p r i n g e r - v e r l a g , b e r l i n h e i d e l b e r g n e wy o r k l o n d o n p a r i s t o k y o1 9 8 1 ，1 9 9 0 【8 】j p r e s s l e y ( e d ) ，h a n d b o o ko fl a s e r s 、) i ，i ms e l e c t e dd a t ao no p t i c a lt e c h n o l o g y , c r c p r e s s ，c l e v e l a n d19 7 1 9 】m ，j w e b e r ( e d 。) ，h a n d b o o ko fl a s e r sw i t l ls e l e c t e dd a t a0 1 1o p t i 蒯t e c h n o l o g y , c l 坨p r e s s ，cl e v e l a n d19 8 2 【1o 】j e m m e t ，w f k r u p k ea n dj t r e n h o h n ，k v a n t o v a y ae l e k t r o n i k a19 8 3 ( 10 ) ：5 【l l 】a a k a m i n s k i i ，m o d e r nd e v e l o p m e n t si nt h ep h y s i c so f e r y s t a l l i n el a s e r m a t e r i a l s ，p h y s s t a t s 0 1 ( a ) 2 0 0 3 ( 2 ) ：215 - - 2 9 6 【12 】r m m a c f e r l a n e ，f y o n g , a j s i l v e r s m i t ha n dw l 锄电v i o l e tc w n e o d y m i u mu p c o n v c t s i o nk a p p l p h y s l e t 19 8 8 ( 5 2 ) ：13 0 0 - 13 0 2 03 】m r o b i n s o n ，c ka s a w a , s t i m u l a t e de m i s s i o nf r o mn da n dy bi nn o n e u b i c s i t e so f n e o d y m i u ma n dy t t e r b i u md o p e dc a f 2 ，j o u n a lo f a p p l i e dp h y s i c s ，3 8 7 第一章绪论 ( 1 9 6 7 ) ，4 4 9 5 【14 】j e g e u s i c ，h m m a r k o sa n dl g v a n u i t e r t ，l a s e ro s c i l l a t i o n si nn d - d o p e d y 仃i h i l la l u m i n u m ，y t t r i u mg a l l i u ma n dg a d o l i n u mg a r n e t s ，a p p l p h y s l e t t 1 9 6 4 ( 4 ) ：1 8 2 - 1 8 4 【15 】k h s b a g d a s a r o va n da a k a m i n s k i i ，j e t pl e t t 1 9 6 9 ( 9 ) ：3 0 3 【l6 】j r o c o n n e r , u n u s u a lc r y s t a l - f i e l de n e r g yl e v e l sa n de f i c i e n tl a s e rp r o p e r t i e s o fy v 0 4 ：n d ，a p p l p h y l c t 19 6 6 ( 9 ) ：4 0 7 - 4 0 9 【1 7 】a l h a r m e r , a l i n z ，a n dd r g a b b e j p l a y s c h e m 1 9 6 9 ( 3 0 ) ：1 4 8 3 【1 8 】a a k a m i n s k i i ，a a p a v l y u k ，p v k l e v t s o v ，i f b a l a s h o v ，v a b r e n b e r g , s e s a r k i s o v ，v a f e d o r o v , m v a n dv v l u b c h e n k o ，i n o r g m a t e r 19 7 7 ( 1 3 ) ：5 8 2 1 9 1 李成，曹宇惠，掺n d 3 + 激光晶体性能评述，激光与红外，6 ( 1 9 9 5 ) 1 6 2 0 2 0 】j r l 屿j s o n g , m p r a b h u ，e ta 1 h i g h - p o w e rn d ：y 3 a l s o nc e r a m i cl a s e r , j p n j a p p l a h y s 3 9 ( 2 0 0 0 ) 10 4 8 10 5 0 【2 l 】王国富，l d 泵浦激光晶体材料的新发展，人工晶体学报，4 ( 1 9 9 8 ) 3 9 0 3 9 5 2 2 】j e b e r n a r d ，e m c c u l l o u g ha n da j a l c o c k , h i g hg a i n , d i o d e p u m p e d n d ：y v 0 4a m p l i f i e r , o p t c o m m u n 1 0 9 ( 1 9 9 4 ) 1 0 9 1 4 4 【2 3 】a b r i g o n o n ，gf e u g e n t ，j p h u i g n a r da n dj p p o c h o l l e ，e f f i c i e n td e g e n e r a t e f o u r - w a v em i x i n gi nad i o d e - p u m p e dm i c r o c h i pn d ：y v 0 4a m p l i f e r , o p t l e t t 2 0 ( 19 9 5 ) 5