鉻鈣離子摻雜釔鋁石榴石晶體光學(xué)性質(zhì)及其第一性原理的研究.pdf

1、(Cr,Ca)∶YAG晶體因其優(yōu)越的機(jī)械穩(wěn)定性和光學(xué)特性、較高的熱導(dǎo)率和激光損傷閾值被廣泛應(yīng)用于高功率調(diào)Q激光器以及鎖模激光器。本論文采用光學(xué)浮區(qū)法，生長出了YAG、Cr∶YAG和(Cr, Ca)∶YAG等光學(xué)晶體，并通過XRD、SEM等手段對其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，并對上述晶體粉末的XRD譜進(jìn)行了Rietveld精修，得到了它們的豐富的晶體結(jié)構(gòu)信息;用紫外-可見光分光光度計(jì)研究了其吸收光譜和光學(xué)透過率;用光致發(fā)光光譜儀(PL)研究了其發(fā)射

2、光譜;研究了上述晶體的制備工藝以及摻雜濃度對(Cr, Ca)∶YAG晶體光學(xué)性能的影響。此外，本論文還基于密度泛函理論第一性原理方法研究了YAG以及Cr∶YAG(Cr∶0.6 at.％)和(Cr,Ca)∶YAG(Cr, Ca∶0.6 at.％)晶體的態(tài)密度和能帶結(jié)構(gòu)，取得了有意義的結(jié)果:
　　(1)不同摻雜(Cr,Ca)∶YAG陶瓷料棒以及對應(yīng)生長出的單晶粉末XRD譜以及SEM圖表明:晶粒大小均勻、無團(tuán)聚現(xiàn)象或者團(tuán)聚現(xiàn)象較少、孔洞

3、少的陶瓷料棒，較易生長出好的晶體。
　　(2)分析了Cr∶YAG(Cr∶0.6 at.％)、(Cr,Ca)∶YAG(Cr,Ca∶0.6 at.％)單晶體粉末XRD衍射譜，獲得了上述兩晶體粉末XRD衍射譜擬合曲線，Rwp值分別為:12.75％，12.55％，表明曲線的擬合效果非常好。尋找到了最合適的擬合函數(shù):Tomandl Pseudo-Voigt，同時(shí)也獲得了上述單晶體粉末的晶格常數(shù)以及其半高寬參數(shù)，發(fā)現(xiàn)Cr、Ca摻雜會(huì)導(dǎo)致YAG

4、晶體發(fā)生微小畸變。
　　(3)分析不同摻雜濃度的Cr∶YAG以及(Cr,Ca)∶YAG(Cr,Ca濃度相同)晶體在600nm～800nm發(fā)射光譜，發(fā)現(xiàn)它們都存在4個(gè)發(fā)射峰，其中位于688nm處的最強(qiáng)峰是R線零聲子激發(fā)峰，是由Cr3+離子4E2→4A2躍遷引起的;而位于679.5nm，706.5nm以及725nm三個(gè)峰是由于Cr3+離子2E→4A2躍遷的聲子旁帶引起的。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)Cr∶YAG(Cr∶0.6at.％)晶體和(Cr,Ca

5、)∶YAG(Cr,Ca∶0.02at.％)晶體在摻雜濃度不同的Cr∶YAG以及(Cr, Ca)∶YAG晶體系列中發(fā)射光強(qiáng)最強(qiáng)。
　　(4)分析不同摻雜濃度的(Cr,Ca)∶YAG晶體的吸收光譜，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Cr離子濃度為0.04at.％，Ca離子濃度為0時(shí)，Cr∶YAG晶體的吸收峰分別位于430nm和600nm附近，且分別是Cr3+離子3B1(3A2)→3A2，和3B1(3A2)→3E(3T1)的能級躍遷引起的。當(dāng)Cr離子濃度為0.04

6、at.％，Ca離子濃度逐漸增加時(shí)，晶體的吸收峰會(huì)分別從430nm和600nm逐漸紅到465nm和612nm附近，且峰形也發(fā)生了變化。
　　(5)對(Cr,Ca)∶YAG晶體吸收邊曲線的研究，獲得了YAG、(Cr,Ca)∶YAG(Cr,Ca∶0.6 at.％)以及Cr∶YAG(Cr∶0.6 at.％)等晶體的光學(xué)禁帶寬度分別為:6.52eV,6.31eV以及5.38eV;以及通過通過第一性原理計(jì)算獲得的態(tài)密度譜圖的分析，顯示上述晶體

7、的禁帶寬度分別為:3.72eV,2.76eV和1.98eV。并且發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論獲得的禁帶寬度隨離子摻雜的變化趨勢相同。
　　(6)分析YAG、Cr∶YAG(Cr∶0.6 at.％)以及(Cr,Ca)∶YAG(Cr,Ca∶0.6 at.％)等晶體的態(tài)密度，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Cr3+離子摻雜到Y(jié)AG晶體中時(shí)，Cr離子在Cr∶YAG晶體費(fèi)米能級附近引入3d電子態(tài)，從而減小了Cr∶YAG的禁帶寬度。因此，Cr∶YAG晶體的光學(xué)帶隙低于YAG的光學(xué)