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镱铒共掺氟化钙晶体能量传递过程的计算 导师 庄任重答辩人 张元雄专业 09级物理学 师范 学号 2009042144 摘要 本文内容是对镱铒离子和氟化钙晶体特性的介绍 并对镱铒共掺氟化钙晶体中镱铒离子能量传递情况进行详细的介绍 并对速率方程进行数值模拟 得出各能级的粒子数分布图 预测材料的发光特性 目录 1 掺稀土离子激光晶体研究的背景镱铒离子及氟化钙晶体的特性CaF2晶体中Er3 和Yb3 离子之间的能量转移及速率方程对速率方程进行数值模拟结论致谢 2 3 4 5 6 1 掺稀土离子激光晶体研究的背景 激光晶体是激光材料的重要组成部分 是绝大多数固体激光器的核心 激光晶体分成两部分 其中一部分是基质晶体 另一部分是激活离子 基质晶体它为激活离子提供一个合适的晶体场 激活离子决定光谱性能 在目前已知的300多种激光晶体中 约有90 以上是掺稀土作为激活离子 输出激光的波长覆盖了不同波段 随着科学技术的发展 人们对激光晶体提出了更高的要求 科学工作者做了种种努力以期获得吸收线宽 发射截面大 荧光寿命长 机械性能和热性能好 激光功率高的新型激光晶体 本课题以此为指导思想研究了镱铒共掺氟化钙晶体能量传递过程的计算 分析共掺稀土离子对激光特性的影响 2 镱铒离子及氟化钙晶体的特性 2 1Yb3 的特性 1 Yb3 是能级结构最简单的激活离子 仅有一个基态2F7 2和一个激发态2F5 2 在晶场作用下 能级产生斯塔克分裂 形成准三能级的激光运行机制 2 量子缺陷低 3 无辐射弛豫引起的材料中的热负荷低 4 荧光寿命长 5 Yb3 吸收带宽 6 不存在激发态吸收和上转换 光转换效率高 7 在Yb3 掺杂浓度较高的情况下多数晶体不出现浓度猝灭现象 2 2Er3 的特性Er3 离子能级丰富 发射波长从可见到红外有多个跃迁通道 其中1 6 m和3 0 m两个波段的激光发射在通讯和医疗领域有着广阔的应用前景 但由于Er3 离子对泵浦光吸收弱 吸收截面小 激光下能级寿命过长等原因 存在着激光效率低 阈值功率高等缺点 难以得到令人满意的光谱特性 采用Yb3 离子敏化Er3 离子来提高泵浦效率 提高能量转换效率 2 3氟化钙晶体的特性氟化钙晶体是典型的萤石型立方结构 晶格中包含丰富的间隙格位 各种价态的激活离子都可以较高浓度的掺入 只有一个Raman活性的晶格振动模式 易于分辨晶格缺陷态 阳离子亚晶格非常稳定 一般只形成阴离子缺陷 作为基质晶体可以方便的研究掺质离子从深紫外到红外的吸收和发光特性 3 CaF2晶体中Er3 和Yb3 离子之间的能量转移及速率方程 3 1Yb3 Er3 CaF2晶体中Er3 和Yb3 离子之间的能量转移示意图 1向上线条表示受泵浦激发跃迁2向下线条表示自发辐射跃迁3红色线条表示Er3 和Yb3 离子间能量转移4虚线表示自发辐射跃迁 3 2对图3 1进行能级简化 得到下图3 2 各能级间将不在出现无辐射跃迁 3 3根据简化能级图 可将各能级的能量传递过程用速率方程组表示如下 4 对速率方程进行数值模拟 4 1参数查阅和计算如下 自发跃迁几率 AYb1 1188s AEr1 118s AEr2 9000s AEr21 379s 泵浦常数 4 8031 1021cm 2 s 1吸收截面 Yb0 5 4 10 21cm2 Er0 1 7 10 21cm2W1 K E 1K V 7 10 23cm 3s 1W2 K E 2K V 1 8 10 23cm 3s 1取N1 N2 N3 N4 N5的初始浓度值分别为1 25 1018cm 3 5 1017cm 3 103cm 3 103cm 3 103cm 3 4 2数值模拟结果 Yb3 基态上的粒子数变化曲线 Yb3 激发态上的粒子数变化曲线 N1 1 224 1018cm 3 N2 4 655 1017cm 3 Er3 第一激发态上粒子数变化曲线 Er3 基态上的粒子数变化曲线 N3 2 7 1016cm 3 N4 3 25 1016cm 3 Er3 第二激发态上粒子数变化曲线 N5 1 67 109cm 3 5 结论 由模拟曲线图4 1 4 5可知 Yb3 经过0 005s各能级上粒子的变化趋于稳定 Er3 经过0 05s各能级上粒子数的变化趋于稳定 计算得各能级上粒子数的具体值如下 N1 1 224 1018cm 3N2 4 655 1017cm 3N3 2 7 1016cm 3N4 3 25 1016cm 3N5 1 67 109cm 3经过计算 Er3 第一激发态的粒子数占Er3 粒子总数的6 5 第二激发态的粒子数占Er3 总粒子数的