NdPO4晶體的熔鹽法生長及其性質研究.pdf

1、由于激光二極管泵浦全固態(tài)激光器的結構緊湊、效率高和壽命長等特點,已經(jīng)成為當前激光器發(fā)展的前沿,在科學研究、軍事、工業(yè)和醫(yī)療等方面得到了廣泛的應用。目前,全固態(tài)激光器的一個發(fā)展方向是向著微型化發(fā)展。
　　激光材料是設計和制備全固態(tài)激光器的關鍵因素之一,其性質決定著激光器的性能和應用。目前,應用最廣泛的激光材料是以釹為激活離子的激光晶體。為了實現(xiàn)激光器的小型化,要求激光晶體中單位體積內要有較高的釹離子濃度。然而,在晶體中增加釹離子的摻

2、雜濃度會發(fā)生濃度猝滅。因此,具有高釹濃度和低猝滅特點的自激活激光晶體引起了人們的興趣。
　　本論文是圍繞自激活晶體—NdPO4晶體的生長和性質表征開展工作的,由于NdPO4晶體是不一致熔融化合物,在熔化前即分解,故只能采用助熔劑法生長。本文從NdPO4晶體的助熔劑法生長探索開始,分別用Li2CO3-2MoO3和Li2CO3-2WO3體系得到了NdPO4單晶,對晶體進行了物相分析和結構測定,并利用助熔劑頂部籽晶生長技術,生長出達厘米

3、級尺寸的NdPO4晶體,并對晶體的基本物理化學性質進行了研究,主要研究工作和結果如下:
　　1.NdPO4晶體的助熔劑法生長:采用助熔劑自發(fā)成核技術,探索了NdPO4晶體生長的助熔劑體系,發(fā)現(xiàn)采用Li2CO3-2MoO3和Li2CO3-2WO3體系都能夠生長出NdPO4晶體;為了得到尺寸較大的晶體,我們利用前期自發(fā)成核探索出的助熔劑體系和生長出的籽晶,采用頂部籽晶技術生長晶體,實驗結果發(fā)現(xiàn),Li2CO3-2WO3體系為適合生長大尺

4、寸NdPO4晶體的助熔劑體系,確定晶體生長合適的溶液濃度為18wt%,晶體轉速為30rpm,最終我們獲得了尺寸達20×10×5mm3的NdPO4晶體;討論了在生長過程中影響晶體生長和晶體質量的主要因素,例如溫場、降溫速率和籽晶等。
　　2.NdPO4晶體的結構與缺陷:采用X射線單晶衍射儀(四圓衍射儀)在室溫下解析了NdPO4的單晶結構,得出NdPO4晶體屬于單斜晶系,P2l/n空間群,晶胞參數(shù)為a=6.7417(2)(A),b=6

5、.9570(2)(A),c=6.4084(2)(A),β=103.6838(13)°,晶體的理論密度為5.441g·cm-3;采用X射線粉末衍射法解析了室溫下NdPO4晶體的結構,并用Fullprof程序和二分法中的DICVOL算法擬合出了晶體的晶胞參數(shù)為a=6.7453(A),b=6.9584(A),c=6.4068(A),β=103.703°,與單晶解出的結果相近;采用光學顯微鏡觀察了NdPO4晶體的缺陷,并探討了缺陷形成機制,提出

6、了減少缺陷的相應方法。晶體主要存在開裂、生長條紋和包裹體等宏觀缺陷,可以通過優(yōu)化籽晶質量,提高原料純度,采用合理的降溫速率等方法有效避免缺陷的產(chǎn)生。
　　3.NdPO4晶體的基本物理化學性質:主要包括NdPO4晶體的密度、硬度,NdPO4晶體的熱穩(wěn)定性、比熱、熱膨脹,NdPO4晶體的吸收光譜和熒光光譜。采用浮力法測得了晶體在20℃下的密度,得到NdPO4晶體的密度為p=5.429g·cm-3;采用顯微硬度計測量了晶體的平均維氏硬度

7、為HV635,并根據(jù)維氏硬度和莫氏硬度的轉換關系,計算出其莫氏硬度值大約為5.8;NdPO4晶體的熱穩(wěn)定性較好,在室溫到1500℃范圍內沒有發(fā)生任何變化;比熱測試結果顯示晶體在常溫下的恒壓比熱約為0.41J·g-1·K-1;通過高溫X射線粉末衍射實驗,發(fā)現(xiàn)NdPO4晶體具有較為獨特的熱膨脹性質,從常溫到700℃左右,晶體沿(200)和(020)方向收縮,從700℃向上升溫,晶體產(chǎn)生膨脹,對此現(xiàn)象可以用剛性單元模式機理進行解釋;測量了Nd

8、PO4晶體的室溫吸收光譜和熒光光譜,分析了該晶體的的吸收和發(fā)光特性。從晶體的吸收光譜圖可以發(fā)現(xiàn),該晶體在523nm,578nm,677nm,745nm,800nm和867nm等位置有吸收峰,這些位置的吸收峰分別對應著Nd3+從基態(tài)向各激發(fā)態(tài)的躍遷。從晶體的熒光譜圖可以看出,NdPO4晶體在850nm～1500nm范圍內有兩組發(fā)射峰,發(fā)射峰中心波長分別為1060nm和1339nm。
　　4.NdPO4晶體的摻雜研究:分別生長了摻有L

9、a3+和Yb3+的NdPO4晶體,并對所獲得的摻雜晶體的光譜進行了比較研究。通過助熔劑自發(fā)成核方法生長出了La0.5Nd0.5PO4晶體和Yb:NdPO4晶體,采用X射線粉末衍射技術對這兩種晶體的物相進行了表征,分別運用X射線熒光分析和EDX能譜分析對這兩種晶體的成分進行了分析,測量了La0.5Nd0.5PO4晶體的紅外光譜圖,并將其與NdPO4晶體的紅外光譜圖進行了比較,發(fā)現(xiàn)二者的紅外譜圖基本一致。研究了La0.5Nd0.5PO4晶體

10、和Yb:NdPO4晶體的光譜性質,分別測量了這兩種晶體的吸收光譜和透過光譜。通過對比發(fā)現(xiàn),La0.5Nd0.5PO4晶體的吸收光譜與NdPO4晶體的吸收光譜基本一致,并未發(fā)現(xiàn)有其它峰出現(xiàn)。而Yb:NdPO4晶體的透過光譜在1000nm處比NdPO4晶體的多了一個弱峰,經(jīng)證實應該是Yb3+的吸收峰,由此可說明晶體中含有Yb3+離子。分別測量了這兩種晶體的熒光光譜,發(fā)現(xiàn)La0.5Nd0.5PO4晶體的熒光光譜在1059nm處有一強發(fā)射峰;對