功能晶體Nd：LuVO-,4-和BaWO-,4-的特性研究.pdf

1、激光二極管(LD)泵浦的固體激光器具有效率高、體積小、輸出穩(wěn)定、壽命長和成本低等優(yōu)點，在光信息存儲、光纖通信、海底探測、激光打印、醫(yī)療等領域中有著廣闊的應用前景。因此，探索更多適用于這種激光器的光學晶體一直是材料領域的一個研究熱點。近年來，激光二極管泵浦的稀土激光晶體由于有著優(yōu)良的激光特性受到了人們的極大關注。其中，Nd：YVO<,4>、Nd：GdVO<,4>等釩酸鹽系列晶體己廣泛應用于中小型激光器上。除LaVO<,4>晶體以外，所有的

2、釩酸鹽晶體都為鋯石類結構，四方晶系，空間群為I4<,1>/amd。稀土離子進入釩酸鹽晶體中位置群變?yōu)镈<,2d>，由于在晶場中離子不處于對稱中心位置因此可產生產f→f躍遷而發(fā)光。 與Nd：YVO<,4>晶體相比，Nd：LuVO<,4>晶體具有優(yōu)良的激光、物理和化學性質，是理想的激光介質。大量實驗證實，在許多情況下，LuVO<,4>比YVO<,4>更適合作為激光晶體的基質材料。因此，Nd：LuVO<,4>晶體在近幾年得到了廣泛關注

3、。對一種新的激光晶體材料來說，除了優(yōu)良的激光特性，它的熱機械特性(如熱膨脹、熱切削性等)、熱力學特性(如熱容量、熱擴散、熱導率等)以及光譜學特性(如晶格振動、光譜參數(shù)、吸收和熒光光譜等)也非常重要的。目前對這幾方面的研究較少，因此本論文對此進行了系統(tǒng)的研究。 在探索新的激光晶體的同時，拉曼激光晶體的研究工作也是一個熱點。一般說來研究新波長的激光有兩個方向：一是開發(fā)新型的激光晶體：二是借助非線性介質對已有的波長進行頻率轉換。激光拉

4、曼技術適合對高功率的脈沖激光進行頻率轉換，具有轉換效率高、光束質量好等優(yōu)點，尤其是隨著調Q、鎖模技術的不斷成熟，這種技術將成為激光頻率轉換技術的一個重要發(fā)展方向。拉曼激光介質是拉曼激光器進行頻率轉換的核心部分，其性能直接影響拉曼激光的轉換波長、光束質量、轉換效率等。晶體材料作為拉曼激光介質有著氣體、液體等材料無法比擬的優(yōu)點，尤其是在作為激光二極管(LD)泵浦的全固態(tài)拉曼激光器介質方面有著非常巨大的發(fā)展?jié)摿?。因此，研究高質量的拉曼激光晶體

5、是拉曼激光器發(fā)展的關鍵所在。 BaWO<,4>晶體是一種優(yōu)良的拉曼激光晶體，與目前廣泛研究的Ba(NO<,3>)<,2>晶體相比較具有透光波段寬、熱機械性能優(yōu)良、不潮解等優(yōu)點。拉曼光譜測試結果表明，其振動模最高頻率為925cm<'-1>，譜線具有高的峰值強度和積分強度，不論用納秒脈沖激光還是皮秒脈沖激光泵浦都可以獲得較高的拉曼增益。目前對于適合于拉曼激光技術的大尺寸、高質量：BaWO<,4>晶體的生長和物性機理研究還不全面。本論

6、文對Nd：LuVO<,4>晶體和BaWO<,4>晶體的性質、結構、光譜和熱特性方面進行了系統(tǒng)的研究，并探索了它們作為激光介質在全固態(tài)激光器中的應用，主要包括以下幾方面的工作： 一、根據(jù)空間群理論計算并分析了Nd：LuVO<,4>晶體的晶格振動模。利用拉曼散射的手段全面報道了該晶體不同幾何配置下的晶格振動譜，取得了與理論分析相一致的結果。該晶體的拉曼振動峰主要是由于VO<,4>四面體的伸縮和彎曲振動而產生，最高振動頻率903cm,

7、<'-1>，對應于VO<,4>四面體的對稱伸縮振動。實驗發(fā)現(xiàn)不同配置的譜線中重復出現(xiàn)的峰較多，分析認為這是由于該晶體強烈的雙折射效應造成的。報道了Nd：LuVO<,4>晶體在室溫至1400K溫度范圍內拉曼峰隨溫度的變化情況，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，拉曼峰變寬并向低波數(shù)移動。拉曼頻移隨溫度的變化主要是受晶體熱膨脹的影響，拉曼峰的展寬則主要是由于晶體中VO<,4>四面體的畸變所導致。 二、系統(tǒng)地研究了Nd：LuVO<,4>晶體的熱學性質

8、。采用差示掃描量熱法測量出該晶體室溫至700K溫度范圍內比熱值為0．442-0．498 Jg<'-1>K<'-1>。采用熱機械分析儀測量了Nd：LuVO<,4>晶體298-573K的熱膨脹曲線，平均熱膨脹系數(shù)分別為α<,α>=1．7×10<'-6>/K、α<,b>=1．5×10<'-6>/K、α<,c>=9．1×10<'-6>／K，非常小的熱膨脹系數(shù)表明該晶體適宜于作為固體激光器的工作物質。首次采用閃光脈沖法測量了該晶體的熱擴散系數(shù)并計

9、算了熱導率。Nd：LuVO<,4>晶體熱擴散的各向異性比較明顯，并且隨著溫度的升高熱擴散能力逐漸減小。室溫下，Nd：LuVO<,4>晶體沿c方向熱擴散系數(shù)為3．60 mm<'2>/s，沿a方向熱擴散系數(shù)為2．95．mm<'2>/s，相應的熱導率分別為9．77 Wm<'-1>K<'-1>和7．96 Wm<'-1>K<'-1>。 三、采用雙光束型分光光度計測量了Nd：LuVO<,4>晶體的吸收光譜，該晶體的吸收主要是由于摻雜的Nd<

10、'3+>離子引起的。測量了該晶體室溫下800-1500nm范圍的熒光光譜，激發(fā)光波長為808nm。最強的熒光發(fā)射峰在1068nm附近，是目前Nd<'3+>摻雜的激光晶體材料研究最廣泛的一條激光輸出譜線。根據(jù)J-O理論計算了Nd：LuVO<,4>晶體的光譜參數(shù)，預測了晶體的激光性能并進行了激光性能測試，初步探討了其應用價值和前景。Nd：LuVO<,4>晶體三個晶場調節(jié)參數(shù)Ω<,t>(t=2，4，6)的值分別為8．235，4．683，6．0

11、90×10<'-20>cm<'2>。 四、808nm處的吸收截面為66×10<'20>cm<'2>。<'4>F<'3/2>→<'4>I<,11/2>躍遷的熒光分之比最大，其積分發(fā)射截面為13.896×10<'18>cm<'2>可產生1060nm波長的激光。四、簡單介紹了BaWO<'4>晶體的生長方法。采用棱鏡耦合法測量了BaWO4晶體在632.8nm和1539nm波長下的折射率。該晶體為負單軸晶體，其折射率n<,0>和n<,e>

12、非常接近，雙折射效應不明顯。利用紫外/可見/近紅外分光光度計和傅立葉變換紅外分光光度計測量了室溫下BaWO<,4>晶體的透過光譜，其透光波段為256-5150nm，透過率非常高，說明它可以在紫外、可見、近紅外以致中遠紅外波段作為頻率轉換器件。 五、系統(tǒng)地研究了BaWO<,4>晶體的熱學性質。采用差示掃描量熱法測量出該晶體室溫至573K溫度范圍內，比熱值為0.317-0.358 Jg<'-1>K<'-1>。采用熱機械分析儀測量了B

13、aW04晶體298-1423K的熱膨脹曲線，該晶體只顯示出熱膨脹，并且其熱膨脹具有出明顯的各向異性。平均熱膨脹系數(shù)分別為α<,α>=1.10×10<'-5>/K、α<,b>=1.08 x10<'-5>/K、α<,c>=3.51×10<'-5>/K，非常小的熱膨脹系數(shù)表明該晶體適宜于作為拉曼激光頻移晶體。首次采用閃光脈沖法測量了該晶體的熱擴散系數(shù)并計算了熱導率。該晶體熱擴散的各向異性較小，隨著溫度的升高熱擴散能力逐漸減小，a方向熱導率從室

14、溫下的2.59 Wm<'-1>K<'-1>逐漸降低到563 K的1.64 Wm<'-1>K<'-1>：c方向熱導率從室溫下的2.73 Wm<'-1>K<'-1>逐漸降低到563K的1.61 Wm<'-1>K<'-1>。 六、采用共聚焦顯微拉曼光譜儀測量了BaWO<,4>晶體在不同幾何配置下的拉曼光譜，觀察到了所有內振動譜線和大部分外振動譜線。利用傅立葉變換紅外光譜儀測量了BaWO<,4>晶體的紅外吸收光譜，觀察到了八條紅外譜線。

15、根據(jù)空間群理論分析了該晶體的晶格振動模式并與實驗結果相比較，對觀察到的振動模進行了詳細指認。925cm<'-1>處的v<,1>拉曼模在所有譜線中頻移最大、強度最高，譜線的半峰寬為3.4cm<'-1>，在受激拉曼散射中具有較大增益系數(shù)，因此，在拉曼激光器的設計中該譜線是首選的產生受激拉曼散射的譜線。利用該譜線可以對532nm激光進行頻率轉換得到黃橙波段的激光，也可對1.3μm的激光進行頻率轉換得到1.5μm的人眼安全激光，發(fā)展前景比較廣闊

16、。 七、采用532nm皮秒脈沖激光泵浦單次通過型受激拉曼散射實驗裝置研究了LiIO<,3>和BaWO<,4>晶體的SRS特性。50mm長的BaWO<,4>晶體一階斯托克斯散射的閾值約為250MW/cm<'2>，增益系數(shù)約為20cm/GW。54mm長的LiIO<,3>晶體樣品一階斯托克斯散射的閾值約為153MW/cm<'2>，增益系數(shù)為30.3cm/GW。實驗結果表明LilO<,3>和BaWO<,4>晶體為高效的皮秒脈沖固態(tài)受激拉