摻釹氧化镥激光晶體生長及其性能研究.pdf

1、高功率固體激光器在工業(yè)、科研和軍事領域有著非常誘人的應用前景。高功率激光器的應用,在很大程度上取決于激光的亮度,這就要求激光不僅要有高的功率,同時也要有高的光束質(zhì)量。但是隨著激光功率的提升,固態(tài)介質(zhì)不可避免的受熱而升溫,造成介質(zhì)產(chǎn)生熱畸變,導致光束質(zhì)量變差,效率降低,制約了固體激光向更高功率的發(fā)展。目前高功率激光器中應用較為廣泛的工作物質(zhì)是YAG晶體或陶瓷,因為這類材料具有較高的熱導率、優(yōu)秀的光學性質(zhì)和激光性能。近年來,人們將關注的焦點

2、轉(zhuǎn)向了稀土氧化物系列材料。同YAG相比,稀土氧化物系列晶體具有更高的熱導率和更低的聲子能量,具備實現(xiàn)更大功率、更高效率激光輸出的潛質(zhì)。目前,關于該類材料的研究主要集中在yb3+摻雜的材料方面。C.R.E.Baer等人在2009年和2010年分別實現(xiàn)了Yb:Lu2O3晶體的高功率連續(xù)激光和飛秒激光輸出,輸出的功率分別為149W和141W,展示了其在高功率激光器領域重要的應用前景。相比于Yb3+摻雜的激光材料,Nd3+摻雜的晶體材料具有更多

3、的發(fā)射譜線,可以實現(xiàn)0.9、1.06、1.3μm等多個波段的激光輸出,具有更廣闊的應用前景。目前,Nd3+摻雜的稀土氧化物晶體已經(jīng)在雷達探測和人眼安全激光等領域展現(xiàn)出了誘人的前景。但是,Nd3+摻雜的稀土氧化物系列晶體的激光輸出功率普遍不高,關于這類晶體光譜和激光方面的系統(tǒng)報道也很少。目前尚沒有對摻釹氧化镥晶體的性質(zhì)的系統(tǒng)研究,因此探索Nd:Lu2O3晶體的性能將是非常有意義的工作。采用光浮區(qū)法生長了Nd:Lu2O3晶體,并對其結(jié)構(gòu)、組

4、分、熱學性質(zhì)、光學性質(zhì)以及激光性能等進行了系統(tǒng)的研究。
　　(一)Nd:Lu2O3晶體的生長
　　采用高純的Nd203和Lu2O3,通過固相反應合成Nd:Lu2O3多晶原料。采用光浮區(qū)法生長了具有較高光學質(zhì)量的Nd:Lu2O3晶體,并對晶體生長過程中影響晶體質(zhì)量的因素進行了分析。
　　(二)Nd:Lu2O3晶體的基本物理性質(zhì)
　　1.采用X射線粉末衍射儀對晶體的結(jié)構(gòu)進行了分析。衍射結(jié)果表明晶體屬于立方晶系,Ia3

5、點群,計算得到的晶格參數(shù)為a=10.396(A),與Lu2O3晶體數(shù)據(jù)符合的較好。
　　2.采用X射線熒光光譜儀測得晶體中Nd3+的有效分凝系數(shù)為0.7,Nd3+的摻雜濃度會隨生長的進行而逐漸富集。
　　3.采用差熱掃描量熱儀測試了晶體的比熱,結(jié)果顯示比熱隨溫度的升高而增加。采用熱學一機械分析儀對晶體的熱膨脹系數(shù)進行了測定,并根據(jù)熱膨脹的結(jié)果計算得到了晶體室溫下的理論密度。采用激光熱導儀測試得到了晶體的熱擴散系數(shù)。根據(jù)熱擴散

6、、比熱和密度的數(shù)據(jù)計算得到了晶體的熱導率,其中室溫下熱導率為13.42W/mK,適合在高功率激光下進行應用。
　　4.對Nd:Lu2O3晶體室溫下的吸收光譜和發(fā)射光譜進行了研究。利用分光光度計對晶體的吸收光譜進行測量,利用熒光光譜儀對晶體的發(fā)射光譜進行了測量,并利用J-O理論對晶體的光譜參數(shù)進行了計算,為其激光應用奠定了基礎。
　　(三)Nd:Lu2O3晶體的激光性能
　　1.采用808nm的LD泵浦源,實現(xiàn)了最大輸出