新型系列釩酸鹽晶體生長及其脈沖能量增強(qiáng)效應(yīng)研究.pdf

1、激光-Laser(light amplification by stimulated emission of radiation)，是利用受激輻射實(shí)現(xiàn)光的放大。實(shí)際上，激光器是一個(gè)振蕩器，利用其受激輻射實(shí)現(xiàn)光的振蕩，產(chǎn)生相干光。激光因具有單色性，方向性和相干性等特點(diǎn)，已經(jīng)成為軍事、醫(yī)學(xué)、科研乃至人們?nèi)粘Ｉ畈豢苫蛉钡囊徊糠?。近幾年，隨著激光二極管(laserdiode,簡稱LD)技術(shù)的發(fā)展，LD泵浦的固體激光器(Diode-pumped

2、 solid-state lasers，簡稱DPSSL)，已經(jīng)在激光器領(lǐng)域掀起了一場新的激光革命。如今，DPSSL已經(jīng)在材料加工、醫(yī)學(xué)、光通訊、激光顯示、制導(dǎo)、雷達(dá)技術(shù)和激光核聚變等方面得到了重要的應(yīng)用。 作為激光器的一個(gè)重要部分，激光增益介質(zhì)的性能最終決定了激光器的輸出特性和應(yīng)用范圍。與Nd∶YAG相比，釹離子(Nd)摻雜的釩酸鹽晶體，如Nd∶YVO4，Nd∶GdVO4和Nd∶LuVO4，因其具有大的吸收和發(fā)射截面，偏振輸出等

3、特性，在眾多的激光材料中脫穎而出，成為中小功率連續(xù)激光器的首選材料，其中Nd∶YVO4晶體已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。隨著脈沖激光器的發(fā)展，人們迫切需要高能量、短脈沖的小型激光器，因此尋求適合脈沖激光器中應(yīng)用的激光材料成為研究的熱點(diǎn)之一。鑒于這三種釩酸鹽(Nd∶YVO4，Nd∶GdVO4和Nd∶LuVO4)都具有的鋯石結(jié)構(gòu)和I41/amd空間群，以及相接近的熔點(diǎn)(1800℃)，若按照一定比例將其中的兩兩組合，可以得到三種新的釩酸鹽混晶：Nd∶YxG

4、d1-xVO4，Nd∶LuxGd1-xVO4和Nd∶YxLu1-xVO4(0≤x≤1)。在這些新的混晶中，原來的一種離子占據(jù)的格位，被兩種離子隨機(jī)占據(jù)，使Nd離子周圍的晶格場不同，造成其特征譜線，如吸收和發(fā)射譜線，會(huì)發(fā)生明顯的非均勻增寬，并使得受激發(fā)射截面減小。小發(fā)射截面的激光材料適合于在調(diào)Q激光領(lǐng)域的應(yīng)用，而寬的發(fā)射譜線的激光材料是產(chǎn)生鎖模(尤其是飛秒脈沖)激光所夢寐以求的。除了激光晶體，在被動(dòng)調(diào)Q甚至被動(dòng)鎖模激光器中，可飽和吸收體也

5、是不可缺少的一部分，現(xiàn)在在被動(dòng)調(diào)Q領(lǐng)域一直處于壟斷地位的是Cr4+∶YAG(Y3Al5O12，簡稱YAG)，但是由于Cr4+取代Al3+離子，在取代的同時(shí)需要摻入Ca2+或Mg2+離子對(duì)電荷進(jìn)行補(bǔ)償，這給晶體的生長和應(yīng)用都帶來了很多的麻煩。本論文從材料制備、基本性質(zhì)的測試和激光領(lǐng)域的應(yīng)用三個(gè)方面對(duì)Nd∶YxGd1-xVO4和Nd：LuxGd1-xVO4系列晶體進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)：相對(duì)于單晶，混晶系列晶體具有明顯的能量增強(qiáng)效應(yīng)。還在釩酸鹽生

6、長的基礎(chǔ)上，針對(duì)傳統(tǒng)的可飽和吸收片Cr4+：YAG在制備和應(yīng)用上固有的缺陷，對(duì)新型的可飽和吸收體Cf5+：GdVO4和自調(diào)Q材料Nd：Cr：GdVO4進(jìn)行了初步的探索。其主要工作如下： (一)晶體生長1、采用提拉法(Czochralski)，首次生長了Nd：LuxGd1-xVO4系列晶體并在此基礎(chǔ)上對(duì)Nd：YxGd1-xVO4系列晶體進(jìn)行了生長，得到了高質(zhì)量的晶體，并對(duì)其生長過程進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。 2、介紹了晶體生長的設(shè)

7、備及工藝過程，討論了影響晶體質(zhì)量的因素。其中溫場、純度、參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控以及退火是最為重要的幾個(gè)環(huán)節(jié)。 (二)Nd：LuxGd1-xVO4和Nd：YxGd1-xVO4系列晶體物理性質(zhì)的研究1、首次對(duì)Nd：LuxGd1-xVO4系列晶體的組分和結(jié)構(gòu)的進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)Nd：LuxGd1-xVO4系列晶體都具有鋯石結(jié)構(gòu)，屬于四方晶系。 2、首次對(duì)Nd：LuxGd1-xVO4系列晶體的熱學(xué)性質(zhì)和Nd：YxGd1-xVO4晶體的熱導(dǎo)

8、率進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)Nd：LuxGd1-xVO4的熱學(xué)性質(zhì)隨x趨向于0.5而逐漸變差，而Nd：YxGd1-xVO4隨x趨向于0.37逐漸變差。通過對(duì)材料常數(shù)的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)系列的晶體都適合應(yīng)用在較高功率泵浦的激光器中。 3、首次對(duì)Nd：LuxGd1-xVO4系列晶體的光譜性質(zhì)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)Nd：LuxGd1-xVO4系列晶體具有偏振吸收和發(fā)射的特性，并具有比單晶更寬的吸收和發(fā)射線寬，我們認(rèn)為這是由于Nd離子光譜的非均勻加寬引起的

9、。 (三)Nd：LuxGd1-xVO4和Nd：YxGd1-xVO4系列激光晶體連續(xù)激光特性的研究1、首次對(duì)Nd：LuxGd1-xVO4系列晶體1.06μm激光進(jìn)行了理論上的優(yōu)化和實(shí)驗(yàn)上的研究，得到了最大輸出功率為7.4W的激光輸出，并對(duì)其有效發(fā)射截面進(jìn)行了計(jì)算，討論了發(fā)射光譜的非均勻加寬、熱導(dǎo)率以及有效發(fā)射截面對(duì)連續(xù)激光輸出特性的影響。 2、首次對(duì)Nd：LuxGd1-xVO4系列晶體1.34μm激光進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)由

10、于熒光譜線的非均勻加寬和激發(fā)態(tài)吸收的共同作用使得發(fā)射截面隨著x的增加呈現(xiàn)了一定規(guī)律性變化，討論了熱致?lián)p耗、激發(fā)態(tài)吸收以及能量上轉(zhuǎn)換對(duì)連續(xù)激光輸出特性的影響。 3、首次對(duì)c切Nd：LuVO4晶體1.06μm的連續(xù)激光特性進(jìn)行了研究，并與a切Nd：LuVO4晶體的連續(xù)激光特性進(jìn)行了比較，計(jì)算了c切Nd：LuVO4晶體1.06μm波段發(fā)射的有效發(fā)射截面。 4、首次對(duì)c切對(duì)Nd：YxGd1-xVO4的1.34μm和1.06μm的連續(xù)激光

11、特性進(jìn)行了研究，并對(duì)其發(fā)射截面進(jìn)行了計(jì)算，討論了熱致?lián)p耗和熒光譜線的非均勻加寬對(duì)連續(xù)激光輸出特性的研究。 (四)Nd：LuxGd1-xVO4和Nd：YxGd1-xVO4系列晶體調(diào)Q激光特性的研究1、首次對(duì)a切Nd：LuxGd1-xVO4晶體的調(diào)Q激光特性的進(jìn)行研究，得到了輸出能量為192.5μJ、脈沖寬度為6.2ns以及峰值功率為31.1kW的被動(dòng)調(diào)Q脈沖激光，發(fā)現(xiàn)隨著x趨向于0.5，其被動(dòng)調(diào)Q激光特性逐漸增加，單脈沖能量逐漸增

12、強(qiáng)。 2、首次對(duì)c切Nd：YxGd1-xVO4晶體的調(diào)Q激光特性的進(jìn)行研究，得到了輸出能量為201.7μJ，脈沖寬度為6.6ns以及峰值功率為30.6kW的被動(dòng)調(diào)Q脈沖激光，發(fā)現(xiàn)c切Nd：YxGd1-xVO4晶體具有更大的能量存儲(chǔ)能力。 3、首次對(duì)c切Nd：LuVO4晶體的調(diào)Q激光特性進(jìn)行研究，得到了輸出能量為84.93μJ、脈沖寬度為12ns以及峰值功率為7.02 kW的被動(dòng)調(diào)Q脈沖激光。 (五)Nd：LuxG

13、d1-xVO4系列(x=1和0.5)晶體鎖模激光特性的研究1、首次以SESAM為可飽和吸收體，對(duì)Nd：LuVO4的被動(dòng)鎖模特性進(jìn)行了研究，得到了平均輸出功率為3.71W，脈沖寬度為8.8ps的鎖模激光。 2、首次以GaAs作為可飽和吸收體，對(duì)Nd：LuVO4的被動(dòng)鎖模特性進(jìn)行研究，得到了輸出功率為3.11W，脈沖寬度為7.1ps的鎖模激光。 3、首次以SESAM為可飽和吸收體，對(duì)Nd：Lu0.5Gd0.5VO4的被動(dòng)鎖模

14、特性進(jìn)行了研究，得到了平均輸出功率為5.53W，脈沖寬度為5.5 ps的鎖模脈沖激光。 4、首次以GaAs作為可飽和吸收體，對(duì)Nd：Lu0.5Gd0.5VO4的被動(dòng)鎖模特性進(jìn)行了研究，得到了平均輸出功率為2.79W，脈沖寬度為3.9ps的鎖模激光。這是我們所知道的、到目前為止用GaAs鎖模所得到的最短的脈沖。 (六)Cr：GdVO4可飽和吸收和Nd：Cr：GdVO4自調(diào)Q激光特性的研究1、合成了GdCrO4的多晶料并首次

15、生長了Cr：GdVO4和Nd：Cr：GdVO4晶體，其尺寸為Φ＞30mm×20mm，重約70g。 2.首次對(duì)Cr：GdVO4和Nd：Cr：GdVO4晶體的偏振吸收特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其π(E//c)偏振在1110 nm處的吸收使得Cr：GdVO4和Nd：Cr：GdVO4具有可飽和吸收和自調(diào)Q特性。 3.首次對(duì)Cr：GdVO4晶體的可飽和吸收特性進(jìn)行了研究，得到了輸出功率為122mW、最短脈沖寬度為361ns、最大脈沖能量

16、為0.77μJ的調(diào)Q脈沖。 4.首次對(duì)Nd：Cr：GdVO4晶體的自調(diào)Q特性進(jìn)行了研究，得到了最大輸出功率為265mW、最短脈沖寬度為230ns、最大脈沖能量為1.12μJ的自調(diào)Q脈沖。 通過以上的研究，我們驗(yàn)證了混晶系列晶體在脈沖激光器中良好的應(yīng)用前景；發(fā)現(xiàn)在對(duì)于Nd：LuxGd1-xVO4和Nd：YxGd1-xVO4，其能量存儲(chǔ)能力分別隨x趨向于0.5和0.37逐漸變大以及其調(diào)Q特性逐漸變好；在鎖模激光器的研究中，我