單斜Nd-LaVO4晶體的生長和特性研究.pdf

1、激光現(xiàn)在已經廣泛應用于工業(yè)、軍事、通信和醫(yī)療等眾多領域，并帶動了許多新興學科的發(fā)展，現(xiàn)在它已經在我們的日常生活中發(fā)揮越來越重要的作用。激光器一般由三部分組成:工作物質、激勵能源、光學共振腔。激光工作物質是激光器的核心部分，產生激光的介質有氣體、液體和固體等。固體激光物質主要以激光晶體為主，以稀土為激活離子的晶體被廣泛研究。隨著激光二極管(LD)技術的發(fā)展，LD泵浦的固體激光器具有泵浦效率高，方向性和單色性好等特點。因此尋找適合LD泵浦的

2、激光晶體成為研究熱點。開始主要集中在對高對稱性立方晶系和中對稱性四方晶系的激光晶體的研究，其中Nd∶YAG和Nd∶YVO4現(xiàn)在已經商業(yè)化。但是Nd3+離子在這兩種晶體中對LD泵浦波長的吸收帶較窄，又難以獲得更大的摻雜濃度。后來人們又對Nd∶GGG，Nd∶YVO4，Nd∶GdVO4，Nd∶LuVO4和Yb∶YVO4等激光晶體進行了深入研究，從生長成本和綜合性能上都不如上面兩種晶體。
　　近些年人們開始探索研究低對稱激光晶體，像Nd∶

3、YCOB，Nd∶GdCOB，Nd∶KLu(WO4)2等，由于晶體的對稱性降低，使得晶體的吸收光譜展寬，適合LD泵浦，但是它們的熱學性質較差。LaVO4晶體在釩酸鹽晶體中比較特殊，常溫下是單斜的獨居石結構，具有低對稱性，其各向異性結構在光學上必然有其獨特的性能。因此值得我們對LaVO4晶體進行深入的研究。
　　1976年用熔鹽法生長了LaVO4晶體，并對晶體結構進行了分析，發(fā)現(xiàn)晶體是與CePO4相同的獨居石結構。此后很長時間沒有關于

4、LaVO4晶體的相關報道，至到2004年首次采用提拉法生長了Nd∶LaVO4晶體，發(fā)現(xiàn)晶體在808nm處的半峰寬(FWHM)為20nm，Nd3+離子的熒光壽命為137μs，適合作為激光晶體。2006年用X粉末衍射對LaVO4結構重新進行了分析，證明晶體的空間群確實為P21/n(14)。同年用提拉法生長出Yb∶LaVO4晶體。2009年又對Nd∶LaVO4晶體生長中遇到的螺旋生長，以及晶體形貌進行了研究，2010年利用第一性原理對四方和單

5、斜結構的LaVO4的能帶和光譜進行了計算。同年Gavrichev等研究了LaVO4的比熱和熱力學函數(shù)。2012年又用浮區(qū)法生長出Nd∶LaVO4晶體，摻雜濃度為5at.％，Nd3+離子的熒光壽命為80μs，并對折射率進行了定向。2013年用固相反應合成LaVO4晶體，對其結構進行了分析，測量了拉曼光譜。2010年首次報道了在Nd∶LaVO4晶體中實現(xiàn)了1.064μm的連續(xù)激光輸出，最大輸出功率為45mW。
　　可見對于LaVO4晶

6、體的生長和研究不多，這主要是它是單斜晶體，而且較難生長，也沒有對其進行很好地系統(tǒng)的研究?；诖耍菊撐南到y(tǒng)的研究了Nd∶LaVO4晶體生長、光學、熱學和激光等性能，主要工作如下:
　　1、Nd∶LaVO4晶體的生長和結構
　　采用提拉法生長出Nd∶LaVO4晶體，并對影響晶體生長的因素和晶體生長過程中出現(xiàn)的螺旋問題進行了討論。利用X射線粉末衍射得到晶體的結構，獲得其晶胞參數(shù)，用浮力法對晶體的密度進行了測量，結果為5.07g/

7、cm3與理論密度(5.061g/cm3)相近。對單斜晶體中不同的坐標系與晶體的結晶學軸之間的相互關系進行了詳細的說明。
　　2、Nd∶LaVO4晶體折射率的測量
　　利用最小偏向角法測量了晶體的折射率，計算了折射率主軸與結晶學軸之間的關系，擬合了隨波長的變化關系:18.69643-7.39838λ+2.63972λ2，在測量波長范圍內，有2.7°左右的旋轉。計算了光軸角，晶體為正光性雙軸晶，計算了光軸角隨波長的變化關系。用S

8、ellmerier方程擬合了折射率隨波長的變化，擬合計算結果與測量結果比較吻合。
　　3、Nd∶LaVO4晶體光譜性質研究
　　利用菲涅爾方程證明對于六方，四方，正交和三方各向異性的晶體可以在折射率主軸下測量連續(xù)波長偏振光的吸收。但是對于單斜晶體，復介電常數(shù)的實部ε二階張量在折射率（介電）主軸下是對角化的，而虛部ε是非對角化的，吸收主軸和熒光主軸與折射率主軸存在一定夾角，復介電常數(shù)ε的虛部對于吸收來說只有在吸收主軸下是對角化

9、的，對于熒光來說只有在熒光主軸下是對角化的，而且單斜晶體的折射率主軸有可能隨波長發(fā)生變化。因此對于單斜晶體，不能像四方、正交等晶系的晶體一樣在介電主軸下測量連續(xù)波長的偏振吸收。測量了Nd∶LaVO4晶體沿不同方向的吸收光譜，在808nm處的半峰寬（FWHM）達到17nm，可能是由于La離子周圍有9個配位O離子，而Nd離子在NdVO4晶相時周圍有8個配位O離子，當Nd離子摻雜到LaVO4時，部分La離子被Nd離子取代，對于Nd離子，有從9

10、配位向8配位轉化的趨勢，從而導致晶格場的振動和光譜的非均勻展寬。用Judd-Oflet(J-O)理論分析了光譜參數(shù)，晶體的三個唯象參數(shù)分別為:Ω2=2.142×10-20cm2，Ω4=3.704×10-20cm2，和Ω6=2.948×10-20cm2，808nm處的吸收截面為1.67×10-20cm2，并與其它晶體進行了比較。測量了Nd∶LaVO4晶體熒光光譜和熒光壽命，測得的熒光壽命為154.90μs，熒光效率為80.1％。大的熒光量

11、子效率說明晶體中的非輻射躍遷幾率小。
　　4、Nd∶LaVO4晶體的拉曼光譜研究
　　從因子群方法和位置對稱性方法兩個方面計算了Nd∶LaVO4晶體的簡正振動模式的對稱性分類為:18Ag+18Bg+18Au+18Bu。共有72個簡正模，與24個原子的運動自由度相等。測量了不同偏振配置Z(YY)Z和Y(ZX)Y下的拉曼光譜，對觀測到的拉曼峰分內振動和外振動進行了詳細的指認，釩酸根離子VO43-的內振動在晶體場中其晶格振動峰與溶

12、液狀態(tài)下有所變化，表明在晶體中四面體結構有畸變。不同配置下最強峰857cm-1和819cm-1的半峰寬分別為7.6cm-1和8.6cm-1，弛豫時間分別是1.39ps和1.23ps，說明Nd∶LaVO4可作為拉曼激光晶體。半峰寬小說明晶體具有良好的結晶度，與有畸變并不矛盾，因為峰的位置與短程有序有關，而半峰寬與結晶度，缺陷，粒子尺寸等有關。
　　5、Nd∶LaVO4晶體的熱學性質研究
　　系統(tǒng)的研究了晶體的熱學性質:比熱、熱

13、膨脹、熱擴散和熱導率。計算了密度隨溫度的變化關系。對熱擴散和熱導率進行了主軸化，并計算了它們隨溫度的變化關系，室溫下三個主軸熱導率系數(shù)分別為:2.731W/m·K，2.966W/m·K，3.388W/m·K，具有最大熱導率的主軸方向為沿c方向逆時針旋轉19.82°。并且隨溫度的升高這個角度是不斷變化的。利用熱導率隨濃度變化模型，計算出Nd∶LaVO4晶體的主軸熱導率隨摻雜濃度變化關系，發(fā)現(xiàn)隨著濃度的增加熱導率變化較小，與質量方差變化較小

14、有關。
　　6、Nd∶LaVO4晶體的激光研究
　　實現(xiàn)了Nd∶LaVO4晶體沿Y和Z切晶體的連續(xù)激光輸出，Z切晶體的閾值功率是0.21W，最大輸出功率是3.05W，斜效率是34.4％，光光轉化效率是33.3％。Y切晶體的閾值功率是0.14W，最大輸出功率是3.56W，斜效率是41.4％，光光轉化效率是40.3％。利用被動調Q技術在Y切晶體實現(xiàn)了最大重復頻率為14.6kHz，最小脈沖寬度為10.9ns，最大脈沖能量為38.3