單斜Nd-LaVO4晶體的生長和特性研究.pdf

1、激光現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事、通信和醫(yī)療等眾多領(lǐng)域，并帶動(dòng)了許多新興學(xué)科的發(fā)展，現(xiàn)在它已經(jīng)在我們的日常生活中發(fā)揮越來越重要的作用。激光器一般由三部分組成:工作物質(zhì)、激勵(lì)能源、光學(xué)共振腔。激光工作物質(zhì)是激光器的核心部分，產(chǎn)生激光的介質(zhì)有氣體、液體和固體等。固體激光物質(zhì)主要以激光晶體為主，以稀土為激活離子的晶體被廣泛研究。隨著激光二極管(LD)技術(shù)的發(fā)展，LD泵浦的固體激光器具有泵浦效率高，方向性和單色性好等特點(diǎn)。因此尋找適合LD泵浦的

2、激光晶體成為研究熱點(diǎn)。開始主要集中在對高對稱性立方晶系和中對稱性四方晶系的激光晶體的研究，其中Nd∶YAG和Nd∶YVO4現(xiàn)在已經(jīng)商業(yè)化。但是Nd3+離子在這兩種晶體中對LD泵浦波長的吸收帶較窄，又難以獲得更大的摻雜濃度。后來人們又對Nd∶GGG，Nd∶YVO4，Nd∶GdVO4，Nd∶LuVO4和Yb∶YVO4等激光晶體進(jìn)行了深入研究，從生長成本和綜合性能上都不如上面兩種晶體。
　　近些年人們開始探索研究低對稱激光晶體，像Nd∶

3、YCOB，Nd∶GdCOB，Nd∶KLu(WO4)2等，由于晶體的對稱性降低，使得晶體的吸收光譜展寬，適合LD泵浦，但是它們的熱學(xué)性質(zhì)較差。LaVO4晶體在釩酸鹽晶體中比較特殊，常溫下是單斜的獨(dú)居石結(jié)構(gòu)，具有低對稱性，其各向異性結(jié)構(gòu)在光學(xué)上必然有其獨(dú)特的性能。因此值得我們對LaVO4晶體進(jìn)行深入的研究。
　　1976年用熔鹽法生長了LaVO4晶體，并對晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)晶體是與CePO4相同的獨(dú)居石結(jié)構(gòu)。此后很長時(shí)間沒有關(guān)于

4、LaVO4晶體的相關(guān)報(bào)道，至到2004年首次采用提拉法生長了Nd∶LaVO4晶體，發(fā)現(xiàn)晶體在808nm處的半峰寬(FWHM)為20nm，Nd3+離子的熒光壽命為137μs，適合作為激光晶體。2006年用X粉末衍射對LaVO4結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行了分析，證明晶體的空間群確實(shí)為P21/n(14)。同年用提拉法生長出Yb∶LaVO4晶體。2009年又對Nd∶LaVO4晶體生長中遇到的螺旋生長，以及晶體形貌進(jìn)行了研究，2010年利用第一性原理對四方和單

5、斜結(jié)構(gòu)的LaVO4的能帶和光譜進(jìn)行了計(jì)算。同年Gavrichev等研究了LaVO4的比熱和熱力學(xué)函數(shù)。2012年又用浮區(qū)法生長出Nd∶LaVO4晶體，摻雜濃度為5at.％，Nd3+離子的熒光壽命為80μs，并對折射率進(jìn)行了定向。2013年用固相反應(yīng)合成LaVO4晶體，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，測量了拉曼光譜。2010年首次報(bào)道了在Nd∶LaVO4晶體中實(shí)現(xiàn)了1.064μm的連續(xù)激光輸出，最大輸出功率為45mW。
　　可見對于LaVO4晶

6、體的生長和研究不多，這主要是它是單斜晶體，而且較難生長，也沒有對其進(jìn)行很好地系統(tǒng)的研究?；诖?，本論文系統(tǒng)的研究了Nd∶LaVO4晶體生長、光學(xué)、熱學(xué)和激光等性能，主要工作如下:
　　1、Nd∶LaVO4晶體的生長和結(jié)構(gòu)
　　采用提拉法生長出Nd∶LaVO4晶體，并對影響晶體生長的因素和晶體生長過程中出現(xiàn)的螺旋問題進(jìn)行了討論。利用X射線粉末衍射得到晶體的結(jié)構(gòu)，獲得其晶胞參數(shù)，用浮力法對晶體的密度進(jìn)行了測量，結(jié)果為5.07g/

7、cm3與理論密度(5.061g/cm3)相近。對單斜晶體中不同的坐標(biāo)系與晶體的結(jié)晶學(xué)軸之間的相互關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)的說明。
　　2、Nd∶LaVO4晶體折射率的測量
　　利用最小偏向角法測量了晶體的折射率，計(jì)算了折射率主軸與結(jié)晶學(xué)軸之間的關(guān)系，擬合了隨波長的變化關(guān)系:18.69643-7.39838λ+2.63972λ2，在測量波長范圍內(nèi)，有2.7°左右的旋轉(zhuǎn)。計(jì)算了光軸角，晶體為正光性雙軸晶，計(jì)算了光軸角隨波長的變化關(guān)系。用S

8、ellmerier方程擬合了折射率隨波長的變化，擬合計(jì)算結(jié)果與測量結(jié)果比較吻合。
　　3、Nd∶LaVO4晶體光譜性質(zhì)研究
　　利用菲涅爾方程證明對于六方，四方，正交和三方各向異性的晶體可以在折射率主軸下測量連續(xù)波長偏振光的吸收。但是對于單斜晶體，復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部ε二階張量在折射率（介電）主軸下是對角化的，而虛部ε是非對角化的，吸收主軸和熒光主軸與折射率主軸存在一定夾角，復(fù)介電常數(shù)ε的虛部對于吸收來說只有在吸收主軸下是對角化

9、的，對于熒光來說只有在熒光主軸下是對角化的，而且單斜晶體的折射率主軸有可能隨波長發(fā)生變化。因此對于單斜晶體，不能像四方、正交等晶系的晶體一樣在介電主軸下測量連續(xù)波長的偏振吸收。測量了Nd∶LaVO4晶體沿不同方向的吸收光譜，在808nm處的半峰寬（FWHM）達(dá)到17nm，可能是由于La離子周圍有9個(gè)配位O離子，而Nd離子在NdVO4晶相時(shí)周圍有8個(gè)配位O離子，當(dāng)Nd離子摻雜到LaVO4時(shí)，部分La離子被Nd離子取代，對于Nd離子，有從9

10、配位向8配位轉(zhuǎn)化的趨勢，從而導(dǎo)致晶格場的振動(dòng)和光譜的非均勻展寬。用Judd-Oflet(J-O)理論分析了光譜參數(shù)，晶體的三個(gè)唯象參數(shù)分別為:Ω2=2.142×10-20cm2，Ω4=3.704×10-20cm2，和Ω6=2.948×10-20cm2，808nm處的吸收截面為1.67×10-20cm2，并與其它晶體進(jìn)行了比較。測量了Nd∶LaVO4晶體熒光光譜和熒光壽命，測得的熒光壽命為154.90μs，熒光效率為80.1％。大的熒光量

11、子效率說明晶體中的非輻射躍遷幾率小。
　　4、Nd∶LaVO4晶體的拉曼光譜研究
　　從因子群方法和位置對稱性方法兩個(gè)方面計(jì)算了Nd∶LaVO4晶體的簡正振動(dòng)模式的對稱性分類為:18Ag+18Bg+18Au+18Bu。共有72個(gè)簡正模，與24個(gè)原子的運(yùn)動(dòng)自由度相等。測量了不同偏振配置Z(YY)Z和Y(ZX)Y下的拉曼光譜，對觀測到的拉曼峰分內(nèi)振動(dòng)和外振動(dòng)進(jìn)行了詳細(xì)的指認(rèn)，釩酸根離子VO43-的內(nèi)振動(dòng)在晶體場中其晶格振動(dòng)峰與溶

12、液狀態(tài)下有所變化，表明在晶體中四面體結(jié)構(gòu)有畸變。不同配置下最強(qiáng)峰857cm-1和819cm-1的半峰寬分別為7.6cm-1和8.6cm-1，弛豫時(shí)間分別是1.39ps和1.23ps，說明Nd∶LaVO4可作為拉曼激光晶體。半峰寬小說明晶體具有良好的結(jié)晶度，與有畸變并不矛盾，因?yàn)榉宓奈恢门c短程有序有關(guān)，而半峰寬與結(jié)晶度，缺陷，粒子尺寸等有關(guān)。
　　5、Nd∶LaVO4晶體的熱學(xué)性質(zhì)研究
　　系統(tǒng)的研究了晶體的熱學(xué)性質(zhì):比熱、熱

13、膨脹、熱擴(kuò)散和熱導(dǎo)率。計(jì)算了密度隨溫度的變化關(guān)系。對熱擴(kuò)散和熱導(dǎo)率進(jìn)行了主軸化，并計(jì)算了它們隨溫度的變化關(guān)系，室溫下三個(gè)主軸熱導(dǎo)率系數(shù)分別為:2.731W/m·K，2.966W/m·K，3.388W/m·K，具有最大熱導(dǎo)率的主軸方向?yàn)檠豤方向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)19.82°。并且隨溫度的升高這個(gè)角度是不斷變化的。利用熱導(dǎo)率隨濃度變化模型，計(jì)算出Nd∶LaVO4晶體的主軸熱導(dǎo)率隨摻雜濃度變化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著濃度的增加熱導(dǎo)率變化較小，與質(zhì)量方差變化較小

14、有關(guān)。
　　6、Nd∶LaVO4晶體的激光研究
　　實(shí)現(xiàn)了Nd∶LaVO4晶體沿Y和Z切晶體的連續(xù)激光輸出，Z切晶體的閾值功率是0.21W，最大輸出功率是3.05W，斜效率是34.4％，光光轉(zhuǎn)化效率是33.3％。Y切晶體的閾值功率是0.14W，最大輸出功率是3.56W，斜效率是41.4％，光光轉(zhuǎn)化效率是40.3％。利用被動(dòng)調(diào)Q技術(shù)在Y切晶體實(shí)現(xiàn)了最大重復(fù)頻率為14.6kHz，最小脈沖寬度為10.9ns，最大脈沖能量為38.3