幾種單斜雙鎢酸鹽晶體的生長及性能表征.pdf

1、激光器在人們的日常?；钪邪缪葜絹碓街匾慕巧?。自1960年第一臺激光器運(yùn)轉(zhuǎn)以來，激光的應(yīng)用已遍及人們社會(huì)經(jīng)濟(jì)?；畹拿恳粋€(gè)角落，包括光通信在內(nèi)的激光技術(shù)，在不到50年的時(shí)問內(nèi)，已經(jīng)改變了整個(gè)世界的面貌。激光技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合，將人類居住的碩大星球變成了一個(gè)“地球村”。鎢酸鹽晶體是一個(gè)研究較早的激光晶體系列，Nd：CaWO<,4>是最早實(shí)現(xiàn)激光運(yùn)轉(zhuǎn)的激光晶體之一。雙鎢酸鹽晶體按照堿金屬離了的不同，呈現(xiàn)不同的結(jié)構(gòu)和結(jié)晶特性。Kre(WO

2、<,4>)<,2>一類晶體屬單斜晶系，空間群為C2/c。由于本論文的研究背景是基于國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目“低對稱激光晶體和晶體物理基礎(chǔ)研究”，低對稱的雙鎢酸鹽激光晶體是我們的豐要研究對象。這類晶體的結(jié)構(gòu)中強(qiáng)烈的各向異性，使它們的牛長和性質(zhì)也呈現(xiàn)出新的特性。本文通過大量的實(shí)驗(yàn)工作，對單斜雙鎢酸鉀鹽的牛長、表征及激光特性作了較完整的研究，豐要內(nèi)容包括： (1)采用頂端籽晶法成功地牛長了多種Kre(WO<,4>)<,2>(KReW)

3、晶體，實(shí)際牛長的晶體包括：Er,Sm，Tm，Dy，Ho，Er：Yb雙摻，Ho,Yb雙摻的KLuW以及Nd：KYbW晶體等，最大尺寸可達(dá)60×40×25ram<'3>，質(zhì)量為120g。除此之外，還成功地牛長了幾種較大尺寸的國際上報(bào)道甚少的難長晶體：如RbGd(WO<,4>)<,2>，NaLu(WO<,4>)<,2>等，并摸索出一種在晶體生長過程中繼續(xù)優(yōu)化籽晶的方法，解決了頂部籽晶法難以獲得高質(zhì)量較大尺寸籽晶的問題。 (2)單斜

4、KReW晶體的結(jié)構(gòu)表征，牛長形貌預(yù)測。 用四圓衍射儀解析了RGW，KLuW晶體的結(jié)構(gòu)，用粉末法解析了各種稀土摻雜的KLuW晶體的結(jié)構(gòu)，用全譜擬合方法研究了Nd：KLuW晶體結(jié)構(gòu)隨溫度的變化關(guān)系，并確定在800℃-900℃之間有一個(gè)相變點(diǎn)。用BDFH，Wolff,PBC等理論預(yù)測了此類晶體的理想生長形貌，并與實(shí)際生長的晶體形貌進(jìn)行了對比，得出了最佳生長方向及降溫速率。 (3)雙鎢酸鹽晶體的牛長機(jī)理及缺陷研究。

5、 用光學(xué)顯微鏡及原子力顯微鏡于段研究了KLuW的平坦面及臺階面，在(IlO)平坦面上重復(fù)發(fā)現(xiàn)螺旋位錯(cuò)及二維核生長源，因而確定其為螺旋位錯(cuò)及二維核協(xié)同機(jī)制生長；另外在(310)等臺階面上發(fā)現(xiàn)人量直臺階列，從而確定其以階流生長機(jī)制生長。除此之外，我們用光學(xué)顯微鏡研究了不同降溫速率生長的自然面，發(fā)現(xiàn)了各種不同形式的宏觀缺陷，如云層，包裹體，負(fù)晶，巒晶界，扇形界等，并對其形成機(jī)理進(jìn)行了分析，從而為進(jìn)一步改善生長工藝提供了科學(xué)依據(jù)。

6、 (4)熱學(xué)性質(zhì) 對低對稱性單斜晶體Yb：KLuW的熱學(xué)性質(zhì)作了全面的研究，主要包括：比熱，差熱，熱重，熱膨脹，熱擴(kuò)散系數(shù)，熱導(dǎo)等的測量，而且計(jì)算了它們在低對稱結(jié)構(gòu)中所展示的特有的各向異性，以及各向異性隨溫度變化的規(guī)律。Yb：Klu(WO<,4>)<,2>晶體在25℃時(shí)沿[205]結(jié)晶學(xué)方向熱導(dǎo)率達(dá)到最大值4.4W/m·K。另外還測量了KGw、RGW以及各種稀土離予摻雜的Kluw晶體的部分熱學(xué)性質(zhì)。 (5)光學(xué)主軸和折射

7、率 測量了Klu(WO<,4>)<,2>晶體的折射率，Yb：KLuW與Nd：KLuW晶體的折射率相差不大。波長為632.8nm時(shí)，沿Ng、Nm、Np方向的折射率分別為2.1129、2.0577和2.0192；而當(dāng)波長為1539nm時(shí)，沿Ng、Nm、Np方向的折射率分別為2.0633、2.0128和1.9790。確定了晶體光學(xué)主軸與晶體學(xué)主軸之間的關(guān)系，N<,g>與結(jié)晶學(xué)c軸之間的夾角為13°，Nm與結(jié)晶學(xué)a軸之間的夾角為53.

8、7°。 (6)測量了各種稀土離予摻雜的KLuW晶體的吸收和發(fā)射光譜，并根據(jù)J-O理論計(jì)算了光譜參數(shù)，預(yù)測了其激光性能。 (7) 已搭建起晶體的脈沖拉曼測試系統(tǒng)，能夠?qū)庾V、增益系數(shù)、頻移量、閾值、轉(zhuǎn)換效率等進(jìn)行準(zhǔn)確測量，已對多塊BaWO<,4>、SrWO<,4>、YVO<,4>晶體進(jìn)行了測量，同樣可用于低對稱晶體KReW的拉曼研究。 激光二極管泵浦的拉曼實(shí)驗(yàn)方面，已準(zhǔn)備了一批腔鏡。目前初步實(shí)現(xiàn)了Nd：KR

9、eW晶體1.06gm基頻連續(xù)輸出，功率達(dá)到5W。 (8)Nd：KLuW和Yb：KLuW晶體激光性能的測試 A.二極管泵浦的連續(xù)可調(diào)諧Yb：KLuW全固態(tài)激光器 閾值功率分別為0.39，0.57，0.8lW。當(dāng)泵浦功率為6.8W時(shí)，達(dá)到3.28W激光輸出，光-光效率48.2％，斜效率78.2％，如果晶體鍍膜，可達(dá)更高輸出。@B.二極管泵浦的Yb：KLuW被動(dòng)調(diào)Q及拉曼輸出7W泵浦時(shí)，獲得1.3w總輸出，其中

10、拉曼輸出0.4W?；l，拉曼輸出的光-光轉(zhuǎn)換效率分別為32.1％、14.1％，在28kHz脈沖重復(fù)頻率下：最大基頻(1030.6nm)脈沖能量達(dá)32.4uJ，脈沖壽命1.41ns，從而算出峰值功率23kW；最大拉曼(1137.6nm)脈沖能量達(dá)14.4uJ，脈沖壽命0.7Ins，峰值功率達(dá)15.2kW.。脈沖能量及峰值功率比文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)大一個(gè)數(shù)量級。即使相同的脈沖壽命也要大3-4倍。如果晶體鍍膜，厚度優(yōu)化，基頻及拉曼輸出鏡優(yōu)化之后，輸出性能

11、定會(huì)大大改善。國際上著名的Photonics Spectra雜志對該論文進(jìn)行了報(bào)道和評述，認(rèn)為該項(xiàng)成果具有重大商業(yè)價(jià)值。 C．二極管泵浦的Nd:KLuW激光器研究 進(jìn)行了激光二極管泵浦Nd:KLuW晶體的研究。在晶體未鍍膜情況下，用lmm的樣品獲得了746mw的激光輸出，斜率效率為26.1％，閾值僅為24mW，輸出效率比Nd:KGw和Kaminskii在1992年報(bào)導(dǎo)的用10mm厚的的樣品所獲得的光一光轉(zhuǎn)換效率為20％都