摻Pr氟化物晶體近紅外光譜與激光特性研究.pdf

1、摻Pr3+∶YLF晶體具有聲子能量低，優(yōu)異的熱光特性，豐富的可見光熒光譜線等特點(diǎn)，成為可見光波段下轉(zhuǎn)換激光器的首選工作物質(zhì)之一，并得到了廣泛的研究。以InGaN半導(dǎo)體激光器或光泵半導(dǎo)體激光器為泵浦源，Pr3+∶YLF晶體可以產(chǎn)生紅光、橙光、綠光以及深紅光等波段的可見光激光。本論文的研究表明，Pr3+∶YLF晶體除了可以發(fā)出可見光激光以外，還可以產(chǎn)生864nm至936nm的近紅外激光，峰值波長(zhǎng)為915nm。此外，Pr3+∶YLF晶體還可以

2、產(chǎn)生670nm的紅光激光，此為Pr3+∶YLF晶體該波長(zhǎng)的首次激射。
　　在晶體光譜理論研究方面，1962年Judd與Ofelt兩人發(fā)表了利用摻稀土離子的晶體的吸收光譜來(lái)計(jì)算譜線強(qiáng)度，進(jìn)而計(jì)算出能級(jí)壽命、躍遷幾率、躍遷分支比等重要參數(shù)的理論計(jì)算方法。該理論對(duì)激光研究及發(fā)展具有重要推進(jìn)作用，被人們稱為Judd-Ofelt理論。本文利用Judd-Ofelt理論對(duì)Pr3+∶YLF和Pr3+∶FAP晶體進(jìn)行研究和分析，并以理論分析結(jié)果為指

3、導(dǎo)，開展了激光實(shí)驗(yàn)研究，得到了較為理想的結(jié)果，主要工作包括:
　　1.Pr3+∶YLF晶體的光譜分析與激光實(shí)驗(yàn)工作
　　(1)首先，我們測(cè)量了在室溫條件下，從可見光到近紅外區(qū)域Pr3+∶YLF晶體的偏振吸收譜，確定了從基態(tài)3H4能級(jí)到各個(gè)激發(fā)態(tài)的吸收帶。利用測(cè)量的偏振吸收譜，分別采用標(biāo)準(zhǔn)法和歸一化法進(jìn)行Judd-Ofelt理論分析。此外，我們還測(cè)量了室溫下，Pr3+∶YLF晶體的可見光到近紅外區(qū)域的發(fā)射譜，并對(duì)光譜儀的偏振響

4、應(yīng)進(jìn)行了校正，得到了準(zhǔn)確的偏振發(fā)射譜，進(jìn)而計(jì)算出熒光分支比等參數(shù)。其中，我們重點(diǎn)研究了670nm紅光和915nm近紅外波段的情況。
　　(2)以最大輸出功率為2W的InGaN半導(dǎo)體激光器為泵浦源，成功實(shí)現(xiàn)了Pr3+∶YLF晶體670nm激光的激射。實(shí)驗(yàn)中我們采用半共心腔，分別利用輸出鏡的高透射率和腔內(nèi)etalon的損耗調(diào)制，成功抑制了640nm和(698nm，720nm)激光的產(chǎn)生。670nm激光最大輸出功率為87.6mW，斜體效

5、率為11.9％。
　　(3)利用經(jīng)典的半共心腔，以最大輸出功率為900mW的InGaN半導(dǎo)體激光器為泵浦源進(jìn)行縱向泵浦，以Pr3+摻雜濃度為2％的YLF晶體為工作物質(zhì)，成功得到了高光束質(zhì)量、單橫模915nm近紅外激光。為進(jìn)一步提高915nm激光性能，我們利用高光束質(zhì)量的單橫模OPSL激光器為泵浦源，以透射率為1.9％的鏡片為輸出鏡，將最大輸出功率提高到218mW，斜體效率24.2％。通過(guò)在腔內(nèi)以布儒斯特角插入etalon進(jìn)行偏振選

6、擇，我們還獲得了σ偏振的907nm激光。
　　(4)在研究Pr3+∶YLF晶體的偏振發(fā)射譜時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)在915nm譜線的短波長(zhǎng)方向，有一個(gè)較寬的發(fā)射譜。理論分析表明，該發(fā)射譜是由上能級(jí)3P1以及1I6躍遷到下能級(jí)1G4產(chǎn)生的。為實(shí)現(xiàn)該發(fā)射譜的激光發(fā)射，我們采用v型折疊腔，先后以色散棱鏡和Lyot濾波片為波長(zhǎng)調(diào)諧元件，成功實(shí)現(xiàn)了大于60nm的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍，此為首次實(shí)現(xiàn)Pr3+∶YLF晶體的寬波段波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)諧激光輸出。
　　2

7、.Pr3+∶FAP晶體的光譜特性研究
　　氟磷酸鈣晶體(Calcium fluoro-apatite，Ca5(PO4)3F，F(xiàn)AP）是一種分布廣泛、研究很成熟的晶體，屬于單軸、六邊形晶體，具有P63/m空間群結(jié)構(gòu)。Pr3+∶FAP晶體的上能級(jí)為3P0,1,2和1I6，與Pr3+∶YLF不同的是1I6能級(jí)的Stark子能級(jí)處于較低的位置。Judd-Oflet理論分析表明，1I6躍遷到1G4的分支比接近50％，這一特點(diǎn)非常有利于900

8、nm附近近紅外激光的產(chǎn)生。
　　基于測(cè)量得到的偏振吸收譜，我們分別采用Judd-Ofelt理論中的標(biāo)準(zhǔn)法、歸一化法和修正法對(duì)Pr3+∶FAP晶體進(jìn)行計(jì)算分析。綜合考慮，我們采用標(biāo)準(zhǔn)法進(jìn)行擬合計(jì)算，得到的Judd-Ofelt強(qiáng)度參數(shù)為Ω2=0.76×10-20cm2，Ω4=10.02×10-20cm2，Ω6=6.42×10-20cm2，上能級(jí)的輻射壽命為τR(3P0)=15μs，τR(1D2)=293μs，熒光壽命為τF(3P0)=

9、260 ns，τF(1D2)=50μs。由此我們可以得出上能級(jí)3P0和1D2的量子發(fā)射效率分別為η(3P0)≈1.7％，η(1D2)≈17％。在Pr3+∶FAP晶體中，最有可能產(chǎn)生激光的躍遷為:1D2→3F3,4，是四能級(jí)系統(tǒng)，其發(fā)射截面積為σπem(1073nm)=6.2×10-20 cm2。
　　最后，我們還研究了其它幾種摻Pr3+材料在900nm附近的躍遷分支比和發(fā)射截面積，包括Pr3+∶ZBLAN，Pr3+∶KY3F10，