稀土钨酸盐激光晶体生长、结构与性能的研究

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1、摘要 木 论 文 报 告 了N d 3 + :K Y ( W 0 4 ) 2, E rl + / Y b + :K Y ( W O 4 )2 , N d + :K L a (W O ,1) z 品 1 的生长、结构、光 谱和激光 性能。 测定了K L a ( W0 4 ) : 的 晶体结构， 其属于四 方晶 系， 空间 群为1 4 ( 1 ) / a ( 7 , = 1 ) , 单 胞 参 数 : a = b = 5 .4 4 7 , c = 1 2 .0 8 A e K Y ( W O 4) 2 , K L a (W 0 4) 2 品 体中 孤 立 的L A (Y ) O $ 多面体结构决定

2、了 此类晶体 具有较高的激光输出效 率。 采用顶 部籽晶熔盐法 ( T S S G ) ，从 K 2 W O 4 - K F 助熔剂中生 长出 N d 3 + :K Y (W 0 4) 2 , E r a + /Y b + :K Y ( W 0 4 )2 和N d 3 + :K I ,a ( W O 4 )2 晶 休 ， 其 J L 寸 分 4P 1为: 6 0 x 5 6 x 2 2 m 衬、3 0 x 2 3 x l 5 n u n 3 和2 6 x 2 4 x 3 m m 3 o 测 量了N d 3 + :K Y ( W 0 4) 2 晶 体的 室 温 非 偏振 吸 收、 荧 光ill-

3、以 及 荧光 寿命 。 N d 3十 :K Y ( W 0 4 ): 晶 体 在 8 1 2 m n有 一 半 峰宽 为 8 n 0 3 的 强 吸 收 峰， 吸 收 跃 迁 R ,而 a s= 3 .1 3 x 1 0 -2 0 c m 2 ，在 1 0 5 8 n m 的发射跃迁截面a ,= 4 .4 8 x 1 0 -20 c u 12 o i 1, 算了 N d 3+ :K Y ( W 0 4) ， 晶 体 的 光谱 参 数。 荧 光 寿 命 z = 1 5 4 p , 量 子 效 率 t1 = 7 8 .6 0 0 0 测 量 了N d 3+ :K l. a ( W 0 4) 2 晶

4、 体的 室 温 吸 收 和 荧 光 谱. N d 3 + :K L a (W 0 4 )2 rrili f t I: 8 0 4 n m吸收峰的半峰宽为1 2 n m ， 吸收跃迁截而 a s 7 . 6 x 1 0 -2 0 c m 2 , 1059o11， 的发 身 跃 迁 截 面 为5 .0 2 x 1 0 -2 0 c m 2 . 计 算了N d 3 + :K L a ( W O 4 )2 晶 体的 光 谱参 数。 荧光 寿 命 af =1 5 7 i s ,量子效率T 1 =2 2 . 9 。其偏振谱表现出了 弧烈的偏振性，1 ,/ / c方向 1 0 6 9 n m 的 荧 光 强

5、 度 约 为E / a 方 向 的 四 倍， 其 最 大 发 射 跃 迁 截而 为2 .0 9 x 1 0 一，知 112 e 测 量了 E r a +/ - -b 3+ :K Y ( W O 4 ): 晶 体的 非 偏 振 吸 收 谱和 荧 光 谱， 分 析1 E r3 + 的 能 级 及E r a + 与Y b 3 + lfH, J 能 量 转 移 过 程 。 计 算了 室 温 吸 收 谱的 强 度 参 数以 及 各 能 级 跃 迁的 辐 射 寿 命、 辐 射 跃迁 几 率 和荧 光 分 支比 . 测 得 %/2 - 4 1 15 /2 , 4 S 3 12- 14 1 1512 利 4

6、F vn - 4 4 1 15/2 跃 迁 的 荧 光 寿 命， 计 算 了 相 应 量 子 效 率 . 其 荧 光 峰值1 5 6 0 .7 2 1u n 处 的 发 射 跃 迁 截 面 为4 .1 8 x 1 0 2 1 c m 2 0 研 究 了 A 灯泵 浦的 N d “ :K Y (W O 4 ) : 和N d 3 :K L a ( W O 4 ) 2 品 体 的 脉冲 激 光 特 性 。 对 于N 子 + :K Y ( W 0 4 万 晶 体 ， 当 输 出 镜的 透 过 率 为3 5 .5 % 时 ， 获 得 了3 6 .9 m J 的 激 光输出，总效 率3 1 o = 0 .

7、 3 2 % ,斜率效率 r l , = 0 . 4 5 % , 激光振荡闽值为 (0 . 3 2 3 6 J 。 对 于N d 3 1 :K L a ( W 0 4 ): 晶 体 ， 当 输出 镜 透 过 率 为4 6 % 时 ， 获 得了3 6 .7 m J 的 激 光 输 出 ， 总效率 3 1 o = 0 . 2 0 %,斜率效率、 二 0 . 2 8 ， 激光振荡阐值为0 . 3 6 J . 关 键 词: N d 3+ :K Y ( W 0 4) 2 晶 体 ;N d 3+ :K L a ( W O 4 )2 晶 体 ;E r“ / Y b 3 + :K Y ( W O , )2 u

8、n 体;顶部籽晶法;J - 0理论:光谱性能;激光特性。 Ab s t r a c t I a n X i u m e i ( P h y s i c a l C h e m i s t r y ) D i r e c t e d 勿 P r o f e s s o r Wa n g G u o f u 且h is th e sis r e p o rts t百、。 g ro w th , str u c tu re , s p e c tr a 宜 。 n d las e r p 哪e r tie s o f N d 3 : K Y (W C k3 年J o l zn s a n , D i

9、e tz 和 G u g g e n h e im 等人的研究表明在一些掺有二 价铁 族离子的品体，电子 振动能 级 跃迁 亦可 引 起 感 应 发 射 (1 51。 同 时 ， 六 、 七十 年 代也 是 探 索 如 何 提 高 激 光 器 效 率 的 时期， 例如在文献 1 8 中发 表了 第一次应用敏 化原 理以改 善激光器的l 荡参 数。 10 . K . B o p o n b x o , B . B . O C H K O , A . M . r 1p o x o p o a f 11 A , A , K a m n u c ro u i 采 i ll 了 另 一种方法来提高晶体激

10、光器的效率， 即 所用的基质晶体不是简单化一合 物而 是混合 无 序 系 统 化 合 物 ( 固 溶休 ) 1 9 ,2 0 . 八十年代基质晶体已从最初几种发展到常见的数十种 ，如出现 了 T i3 + :A 120 3 12 11 , C r 4 + :M g 2 S i0 4 122 1, C r3 + :L iC a A IF 的要求比 较复杂。 较小的 :可以 使激光振荡闪值较低， 可 是却限 制了 振荡能 量的 提高， 所以 不同工作 状态的 激光器对 :的要求也 就不 同。 第 三 : 要 求尽 量 大 的 荧 光 量 子 效 率 n 。 多 而 宽 的 激 发 吸 收 带 加。

11、 和 高 的 IVA Ik 系 数K p , 要 求 吸 收 光 谱 带 与 光 源 的 辐 射谱 带 尽 可 能 重 叠 ， 这 样 有 利 于 充 分 利 用 激 光源的能 量。 一般说来，激活离子的荧 光亮度随基质结合键能的加大而增 加。 配位离子半径小， 配位体的电 子亲和力小， 公有化的电子多， 则荧 光弧 度大。 另 稀土钨酸盐激光品体生长、结构与性能的研究 外，电 子一 声子 祸合系数小，则荧 光转换效率愈大。 第四 : 要求有大的能量转换效率， 也要求激光线的荧光分支比要 求大， 使吸 收的激发能量尽可能多得转化为激光能量。 第五: 从降 低闭值和提高效率的角 度来衡量能级结构

12、，四能级 优于 三能 级。 第六: 对于四 能级系统， 要求激 光终态至基态的非 辐身 1 弛豫快。 第七: 要求基质的内部 损耗要小。 首 先， 要求基质在光泵光I* X 域内 有高度 的 透明 度。 其次， 要求基质在激光发 射的 波段上无光吸收。 第八:要求与内部损耗有关的光学均匀性高. 第九:要求材料必须具有良好的热光稳定性。 第 1“ : 要求激光材料应具有良 好的 物理、 化学性能。 主要 参数: 热膨胀系数 要小， 弹性模量要大， 热导率要高， 化学价态和结构组 分要稳定， 还要有良 好的 光照稳定性。 第十一: 从临界振荡所需要的最小反转粒子数出发， 要求材料有足够的长 度。

13、当 然， 要挑选符合 所有要 求的激光品体 材料是困 难的， 只能按 照实际 要求选择与 主 要条件相符的材料。 激光晶体的 质量 取决于生长技术 和激活离 子在nf113 格中 的取 代布 :了 为。 第二章 稀土离子的光谱计算理论基础 第二章 稀土离子的光谱计算理论基础 一般把斓系元素 ( 原 子序数Z = 5 7 的 斓至Z =7 1 的镌) 加土伉 ( Z = 2 1 ) 和 忆 ( Z =3 9 ) 通 称稀土元素。除 抗和忆之外，它们具 有相似的电 子壳层结构，即 其 二 价 和 三 价 离 子 都 具 有 未 满 的 电 子 壳 层4 JI ( q = 1 - 1 3 ) 。 这

14、 类 离 子 中4J 电 子 不 是 最 外 层 ， 受 到5 s 25 P “ 电 子 的 屏 蔽， 受 外 界 晶 体 场的 影响 不 是 很 大， 所以 即 使 在 介 质中 ， 其能 级和光谱很大程度上保持了自 山 离子能级和光i I l1 特征。 扛i 几 舒币 土 激活离子之前，先简要回顾一下原子千 级这一概念。 第 一节 光谱基 础 原子能级概述 不同能 态的电 子用不同的 最子数表示。 原子中电 子的特征由 主量子 数 ，: ， 轨 道角动量量子数1 ，角动量矢量量子 数的 取向， 和自 旋员 子数， 表征。 根据早期 谱 线系列的分配习惯， 建立了 表示各个电子 轨道的 一

15、j, -述方法: 一个 数字与 J t 后的 一个字母分别 表示主量子数n 和角 动量量子数1 . 字母s , p , d , f 分别表示1 = - 0 , 1 , 2 , 3 。 例如: 犷电 子为n = 4 , 1 = 3 的轨道中的电 子。 习惯 上也 可以 用带有_ L 、 下 标 的 大写 字母 来 表 示 原 子的 谱 项， 即 为2 S + 编 ， 以 大 写 字 母S , Y , 1) , P , G , 1 1 表示轨道量子数1 ,=0 , 1 , 2 , 3 , 4 , 5 。 字 母的 左上标表示数值 ( 2 S -I- 1 ) ,即 山自 旋S 可能的取I句 而引起的

16、该光潜 项的多重性， 例如单电子系 统 ( S =1 /2 .) 的 自 旋 多 重 性 为2 。 字 母 右下 标J 表 示 总 角 动 量 量 子 数 ， .1 = j! 一 S 二 ! - I-S l。 符 i 4 19 12 表示轨道量 子数L =G 、总自 旋量子 数 S = 3 /2 、 总角动量量了 数.1 = 9 / 2 的 能 级 。 当一 个原子有很多电 子时， 可以 不考虑形 成闭 合壳层的电 子， 只需川闭 合壳 层之外的电子 来计算原子中 与跃迁有关的能量差。 在 描述多电 子原 子状态时， L , S 分 别为 各电 子的轨道角动量和自 旋角 动量 之和， J 可以 通过L 和S 的 矢量求得。 稀土钨酸盐激光品体生长、结构与性能的研究 稀土离子能级 稀土原子指的是元素周期表中从 L a( 原子序号5 7 ) 到 L u( 原子序号7 1 ) 的 所 有 斓系 元 素， 电 子 组 态为I s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 6 3 d 1 0 4 s