掺铥钇镓石榴石激光晶体的生长及其性能研究

发布时间：2018-03-28 13:13

本文选题：Tm:YGG晶体　切入点：晶体生长　出处：《山东大学》2017年硕士论文

【摘要】：随着激光技术的发展,激光单色性高、相干性高、方向性高以及强度高的优势日益突出,在医学、通信、能源和国防等众多领域的应用越来越广泛。其中2μμm波段的激光具有在大气中传输衰减小、穿透能力强以及对人眼安全性高等特点,表现出了极其重要的应用价值;而且该波段激光是重要的中远红外波段泵浦源,以之泵浦红外非线性晶体,可实现高效中远红外激光输出,具有重要的应用需求。激光增益介质是激光器的材料基础,2 μm波段适用激光材料的研究是本领域的重要方向之一,铥离子(Tm~(3+))3F4→3H6跃迁的受激辐射可实现1.7-2.1 μm波段的激光,掺Tm~(3+)晶体的激光辐射可获得2 μ激光,相关研究吸引了广大科研人员的关注,探索了众多Tm~(3+)掺杂的晶体材料,其中Y3Al5012(YAG)晶体具有立方结构、良好的机械性能、光谱与激光性能和优良的热学性质等,已经获得重要应用。Y3Ga5O12(YGG)晶体是另一类重要的石榴石晶体,具有声子能量更低、发光效率更高等优势,是Tm~(3+)离子潜在的基质材料,但受限于其较高的熔点和生长过程中的Ga203挥发,到目前为止尚未有Tm:YGG激光晶体的系统研究报道。本论文以Tm:YGG晶体为研究对象,探索了该类晶体的生长、热学、光谱以及激光性能,实现了该类晶体的综合性能表征,有重要的参考价值。前期研究表明,光学浮区法是适合YGG体系生长的重要方法,可在满足晶体生长所需高温的同时抑制Ga203的挥发,可获得高质量晶体。本论文中采用光浮区法生长了系列浓度的Tm:YGG晶体,并对其结构及分凝特性进行了探索,表征了其热学和光学特性,包括热导率、吸收和发射光谱等,发现该晶体具有较高的热导率、较大的发射截面和较宽的发射光谱,并且以发射波长为795 nm的激光二极管作为泵浦源,实现了 Tm:YGG激光晶体的连续激光输出。主要研究内容如下:一、Tm:YGG系列晶体的生长1、采用光浮区法生长得到了六种不同掺杂浓度的高质量的Tm:YGG晶体,浓度分别为 1at.%、2at.%、5at.%、8at.%、10at.%、15at.%。2、介绍了晶体的生长方法和生长过程中所使用的设备,从多晶料料棒制作、晶体生长和晶体退火等各个阶段具体描述了晶体的生长过程,并且讨论了晶体质量的关键影响因素,包括多晶料料棒的制作和籽晶的选择、生长气氛和氙灯功率的控制、生长速度和转速的控制以及晶体的降温和退火等。二、Tm:YGG系列晶体的基本物理性质1、通过X射线衍射分析得到了各个掺杂浓度Tm:YGG晶体的X射线衍射谱,衍射峰的位置与YGG标准卡片衍射峰的位置一致,说明光浮区法生长得到的Tm:YGG晶体属于立方晶系,点群为m3m,空间群为Ia3d,并且计算了晶体的晶胞参数;通过X射线荧光分析得到了 Tm:YGG系列晶体中各个元素的含量,计算得到了T Tm~(3+)和Y~(3+)的有效分凝系数均接近于1,表明Tm:YGG晶体在生长的过程中铥元素和钇元素分布具有很好的均匀性。2、对Tm:YGG系列晶体的比热、热膨胀、热扩散和热导率进行了详细的测试分析,研究了上述热学性质随温度变化的关系,并且详细分析了 Tm:YGG晶体在室温300 K下的热学性能,最大热导率为7.784 W/mK。通过测试结果确定了各个掺杂浓度的Tm:YGG晶体均具有优良的热学性能,适合作为激光材料应用到激光器中。三、Tm:YGG系列晶体的光学性质1、测试了各个掺杂浓度Tm:YGG晶体的室温吸收谱,分析了九处吸收峰分别对应的Tm~(3+)能级跃迁,在波长786 nm处吸收峰强度较强且半峰宽较大,能够很好地吸收泵浦光。2、通过室温吸收谱并利用倒易法计算得到了 Tm:YGG系列晶体的吸收和发射截面,得到了 5at.%Tm:YGG在786 nm表现出最大的吸收截面并且在2012 nm处表现出最大的发射截面,通过吸收截面和发射截面计算了有效增益截面。3、采用中心波长为795 nm的激光二极管作为泵浦源对Tm:YGG晶体进行了连续激光实验,得到了 2012.8nm的输出激光,对5at.%Tm:YGG晶体的连续激光实验中,吸收泵浦功率为8.75 W时,最大输出功率为0.81 W,斜效率为9.9%,光光转换效率为9.3%,表明Tm:YGG激光晶体在2 μm波段有很好的应用前景。
[Abstract]:With the development of laser technology , the advantages of high laser monochromaticity , high coherence , high directivity and high intensity are more and more widely used in many fields , such as medicine , communication , energy and national defense . The continuous laser output of Tm : YGG laser crystal was achieved by using laser diode with a wavelength of 795 nm as the pumping source . The main research contents were as follows : 1 . Growth of Tm : YGG series crystal : 1 . High quality Tm : YGG crystals with different doping concentrations were grown by using light floating zone method . The concentration of Tm : YGG crystal was 1at . % , 2at . % , 5at . % , 8at . % , 10at . In this paper , the crystal growth process and the equipment used in the growth process are introduced . The crystal growth process is described in detail in various stages of crystal growth , crystal growth and crystal annealing . The results show that Tm : YGG crystal belongs to cubic system , the maximum thermal conductivity is 7.784 W / W . The Tm : YGG crystal has excellent thermal properties . The absorption and emission cross section of Tm : YGG series crystal was obtained by absorption spectrum at room temperature and the absorption and emission sections of Tm : YGG series crystal were calculated by reciprocal method . The maximum absorption cross section was obtained at 786 nm , and the effective gain cross section was obtained by absorption cross section and emission cross section .

【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O78;O734

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