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1、山东大学 硕士学位论文 激光晶体Nd：LuVO的光谱特性和热学特性的研究 姓名：吕英波 申请学位级别：硕士 专业：光学 指导教师：夏海瑞 20040410 吕英波山东大学硕士学位论文 摘要 激光器有很多种，其中，固体激光器小而坚固脉冲辐射功率很高，所以应 用范围较广泛。激光二极管( 1 a s e r d i o d e ，L D ) 泵浦的固体激光器( 简称D P S S L ) ， 由于把半导体和固体相结合，使这种激光器兼聚两者的优点，具有泵浦效率高、 输出稳定和全固化的优点，是对传统的气体放电光源泵浦激光器的一场革命。 D P S S L 在材料加工、制导、雷达技术、医学、光通讯、激光显
2、示和激光核聚变 等方面有重要的应用。 对D P S S L 来说，激光工作物质是设计全固态激光器的关键因素，决定激 光器的性能。人们对激光工作物质进行了广泛深入的研究与探索。激光晶体是 D P S S L 的工作物质。固体激光晶体经历了六十年代的起步七十年代的探索， 八十年代的发展过程，固体激光晶体己从最初几种基质晶体发展到常见的数十 种。作为固体激光器的主体激光晶体发展成固体激光技术的重要支柱。在众多 的激光晶体中，具有锆石结构的掺钕钒酸盐系列晶体就是其中的性能优良的激光 工作物质，比如N d ：Y V 0 4 、N d ：G d V 0 4 ，、N d ：G d ；L a i x V 0
3、4 以及N d ：Y 。L a ，。V O 已 经被证明性能非常优良。 L u V 0 4 晶体是具有锆石结构的铳酸盐，它在1 9 9 6 年用C z o c h r a l s k i 方法生 长出来。2 0 0 2 年，法国人C M a u n i e r 等人用熔岩法生长了N d ：L u V 0 4 ，并系统的 研究了其作为激光晶体的性能，从其光谱和激光性能来看，N d ：L u V O 。应该是一 种很优秀的激光晶体。C M a u n i e r 等实现了N d ：L u V 0 4 在1 0 6 6 n r n 处的激光输出 ( 用钛蓝宝石连续激光泵浦，输出功率达到8 0 r o
4、 W ，斜率为6 0 - 6 6 泵浦阈值为 3 0 m w ) 。山东大学晶体所的张怀金等用C z o c h r a l s k i 方法生长出了N d ：L u V 0 4 ， 当N d ：L u V 0 4 晶体用连续输出的光纤耦合半导体激光阵列泵浦时，在1 0 6 4pm 的 波长上其输出功率达到5 3 0 r o w ( 此时泵浦功率为2 7 6 W ) ，斜率为2 3 1 ，光光 转换效率为1 9 3 ，虽然其转换效率并不是很高，但是其输出功率第一次达到5 3 0 m W 。这说明N d ：L u V O 。晶体其激光性能十分优良，应该成为一种优良的激光材 料。但是目前对于N d
5、 ：L u V 0 4 晶体的研究还只是处于起步阶段，其性能尚须要进 一步的研究。 因此，本论文主要对N d ：L u V 0 4 晶体进行研究，进行了以下几方面的工作： I I I 吕英波山东大学硕士学位论文 用提拉法生长了N d ：L u V 0 4 晶体，掺钕浓度为1a t 。用X 射线粉末衍射方 法对生长的N d ：L u V 0 4 晶体进行结构和晶胞参数测定。结果表明：N d ：L u V O 。晶 体的结构为四方晶系，空间群为1 4 ，a m d ，并且确定了晶体的晶胞参数。N d 离子 在L u V 0 4 晶体中，占据L u 离子的晶格位置。并且做出了晶体的结构示意图。对 晶
6、体生长的形貌做出了描述，并且分析了形貌产生的原因。 为了进一步确定N d ：L u V 0 4 晶体的内部结构，还需要利用喇曼谱来进行分析。 因此在J a s c o V e n t u n o 引喇曼谱仪上测量了晶体的室温喇曼光谱，并且指认了晶体 的喇曼位移。分析了N d ：L u V 0 4 晶体的空间群结构，利用结晶学国际表中1 - 4 I a m d 对称操作的俯视图和相关信息，由商群理论，按照f 4 。a m d 空间群的乌可夫位置， 理论计算N d ：L u V 0 4 晶体的喇曼振动模式，得到了晶体的振动模数为7 2 个简 正振动模，与原子数2 4 对应的7 2 个自由度正好相等
7、。由点群比的特征标可知， 5A ；、7 最。和2 岛为R a m a n 活性光学模。1 0 磊为R a m a n 活性二重简并光学模，其 余均为非R a m a n 。因此，从理论上讲，扣除简并情况，N d ：L u V 0 4 晶体最多能观 测到2 4 支R a m a n 活性光学模，这与实验结果非常吻合。 测量了N d ：L u V 0 4 晶体的红外吸收谱，并根据N d ：L u V 0 4 晶体的简正振动模 式的对称性分类，由点群岛。的特征标可知晶体的具有红外活性的模为6A ：。和9 丘 - 因为有些峰的的强度太弱，从实验测得的光谱图中只能观察到八个峰。并且由于 N d ：L u
8、 V O 。晶体具有对称中心，因此其红外谱没有和喇曼谱重合的谱带。 测量了N d ：L u V 0 4 晶体的室温吸收光谱和室温荧光光谱。由N d ：L u V 0 4 晶体 的吸收光谱，我们可以看到N d ：L u V 0 4 晶体的吸收波长在8 0 7i l r n 附近，与已经 商品化的G a A I A sL D 的发射波长能很好地匹配，可以有效地增加泵浦光的吸收 效率。由N d ：L u V O 。晶体的荧光光谱，可以看出，晶体的主要发射波长分别为 1 0 6 5 n m 和1 3 4 3 n m ，其中波长为1 0 6 5 r i m 的发射峰是所有发射峰中最强的。1 0 6 5
9、r i m 波长的激光经过K D P 或K T P 倍频以后，可形成5 3 2 n m 的绿光。利用J O 理 论，计算出了N d ：L u V 0 4 晶体的吸收截面和发射截面。 对激光晶体而言，热问题是十分重要的。激光工作物质体块的热效应和对工 作物质的表面冷却联合效应的应力可导致激光工作物质的开裂。为此，我们测量 了N d ：L u V 0 4 晶体的热膨胀系数、热扩散系数和比热，并由此计算出了晶体的热 导率。 吕英波山表大学硕士学位论文 测量了N d ：L u V 0 4 晶体的高温喇曼谱，发现晶体的喇曼位移与温度呈线性下 降的关系，并简单分析了温度对喇曼位移的影响。 主题词：钒酸盐晶
10、体，喇曼谱，红外谱，J O 理论，热传导率。 V 吕英波山东大学硕士学位论文 A B S T R A C T T h e r e r em a n yk i n d so fl a s e r s ，a m o n gt h e s el a s e r s ，s o l i d s t a t el a s e ri ss m a l la n d s o l i d i t y ，I t Sr a d i a t ep o w e r i ss t r o n g ，S Oi ti su s e di nm a n yf i e l d s T h el a s e rd i o d ep
11、 u m p s o l i d - s t a t el a s e r s ( D P S S L ) p o s s e s st h em e r i t so fb o t hs e m i c o n d u c t o ra n ds o l i d D P S S L h a st h ep r o p e r t i e so f h i g hp u m p i n ge f f i c i e n c y , s t a b l eo u t p u tp o w e r a n da l ls o l i ds t a t e F u r t h e r m o r e
12、i ti sar e v o l u t i o nt ot r a d i t i o n a ll a m p p u m p s o l i d s t a t el a s e r s D P S S Lh a v e f o u n d m a n yi m p o r t a n ta p p l i c a t i o n f i e l d se g i nm a t e r i a lp r o c e s s i n g ，c o n t r o la n d g u i d e ， m e d i c i n e ，o p t i c a lc o m m u n i c
13、 a t i o n s ，l a s e r sd i s p l a ya n dl a s e rn u c l e a r f u s i o n S of a ra sD P S S Li sc o n c e r n e d ，l a s e rm a t e r i a l sa r ei m p o r t a n ta n d t h e y a r et h ek e y f a c t o rf o rd e s i g n i n ga l ls o l i d s t a t el a s e r sf o rD P S S La n dd e t e r m i n
14、 et h ep r o p e r t i e so f l a s e r s L a s e rm a t e r i a l sw e r es t u d i e df a ra n d w i d e l y L a s e rc r y s t a li st h ew o r k m a t e r i a l f o rD P S S L T h es i l i d - s t a t el a s e rc r y s t a l Ss t u d y b e g i ni ns i x t i e s ，i nt h el a s tf o r t yy e a r s
15、 ， t h el a s e rc r y s t a l sw a sd e v e l o p e d ，t h en u m b e ro ft h el a s e rc r y s t a l si n c r e a s e df r o m s e v e r a lt om o r et h a no n eh u n d r e d A st h em a i np a r to ft h es o l i d - s t a t el a s e r s ，l a s e r c r y s t a l sb e c a m et h em o s ti m p o r
16、t a n tw o r km a t e r i a l A m o n gl o t so f l a s e rc r y s t a l s ，r a r e e a r t ho r t h o v a n a d a t e sw i t hZ r S i 0 4s t r u c t u r ei Sak i n do fe x c e l l e n t1 a s e rm a t e r i a l e s p e c i a l l y N d d o p e d o r t h o v a n a d a t e s ，s u c h a s N d ：Y V 0 4 、N d ：G d V 0 4 ，、 N d ：G d x L a l x V 0 4a n dN d ：Y x L a l x V 0 4a n dS Oo n L u V 0 4c r y s t a li s ao r t h o v a n a d a t e sw i t
