本文選題：Tm:YGG晶體　切入點(diǎn)：晶體生長(zhǎng)　出處：《山東大學(xué)》2017年碩士論文

【摘要】：隨著激光技術(shù)的發(fā)展,激光單色性高、相干性高、方向性高以及強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì)日益突出,在醫(yī)學(xué)、通信、能源和國(guó)防等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。其中2μμm波段的激光具有在大氣中傳輸衰減小、穿透能力強(qiáng)以及對(duì)人眼安全性高等特點(diǎn),表現(xiàn)出了極其重要的應(yīng)用價(jià)值;而且該波段激光是重要的中遠(yuǎn)紅外波段泵浦源,以之泵浦紅外非線性晶體,可實(shí)現(xiàn)高效中遠(yuǎn)紅外激光輸出,具有重要的應(yīng)用需求。激光增益介質(zhì)是激光器的材料基礎(chǔ),2 μm波段適用激光材料的研究是本領(lǐng)域的重要方向之一,銩離子(Tm~(3+))3F4→3H6躍遷的受激輻射可實(shí)現(xiàn)1.7-2.1 μm波段的激光,摻Tm~(3+)晶體的激光輻射可獲得2 μ激光,相關(guān)研究吸引了廣大科研人員的關(guān)注,探索了眾多Tm~(3+)摻雜的晶體材料,其中Y3Al5012(YAG)晶體具有立方結(jié)構(gòu)、良好的機(jī)械性能、光譜與激光性能和優(yōu)良的熱學(xué)性質(zhì)等,已經(jīng)獲得重要應(yīng)用。Y3Ga5O12(YGG)晶體是另一類重要的石榴石晶體,具有聲子能量更低、發(fā)光效率更高等優(yōu)勢(shì),是Tm~(3+)離子潛在的基質(zhì)材料,但受限于其較高的熔點(diǎn)和生長(zhǎng)過程中的Ga203揮發(fā),到目前為止尚未有Tm:YGG激光晶體的系統(tǒng)研究報(bào)道。本論文以Tm:YGG晶體為研究對(duì)象,探索了該類晶體的生長(zhǎng)、熱學(xué)、光譜以及激光性能,實(shí)現(xiàn)了該類晶體的綜合性能表征,有重要的參考價(jià)值。前期研究表明,光學(xué)浮區(qū)法是適合YGG體系生長(zhǎng)的重要方法,可在滿足晶體生長(zhǎng)所需高溫的同時(shí)抑制Ga203的揮發(fā),可獲得高質(zhì)量晶體。本論文中采用光浮區(qū)法生長(zhǎng)了系列濃度的Tm:YGG晶體,并對(duì)其結(jié)構(gòu)及分凝特性進(jìn)行了探索,表征了其熱學(xué)和光學(xué)特性,包括熱導(dǎo)率、吸收和發(fā)射光譜等,發(fā)現(xiàn)該晶體具有較高的熱導(dǎo)率、較大的發(fā)射截面和較寬的發(fā)射光譜,并且以發(fā)射波長(zhǎng)為795 nm的激光二極管作為泵浦源,實(shí)現(xiàn)了 Tm:YGG激光晶體的連續(xù)激光輸出。主要研究?jī)?nèi)容如下:一、Tm:YGG系列晶體的生長(zhǎng)1、采用光浮區(qū)法生長(zhǎng)得到了六種不同摻雜濃度的高質(zhì)量的Tm:YGG晶體,濃度分別為 1at.%、2at.%、5at.%、8at.%、10at.%、15at.%。2、介紹了晶體的生長(zhǎng)方法和生長(zhǎng)過程中所使用的設(shè)備,從多晶料料棒制作、晶體生長(zhǎng)和晶體退火等各個(gè)階段具體描述了晶體的生長(zhǎng)過程,并且討論了晶體質(zhì)量的關(guān)鍵影響因素,包括多晶料料棒的制作和籽晶的選擇、生長(zhǎng)氣氛和氙燈功率的控制、生長(zhǎng)速度和轉(zhuǎn)速的控制以及晶體的降溫和退火等。二、Tm:YGG系列晶體的基本物理性質(zhì)1、通過X射線衍射分析得到了各個(gè)摻雜濃度Tm:YGG晶體的X射線衍射譜,衍射峰的位置與YGG標(biāo)準(zhǔn)卡片衍射峰的位置一致,說明光浮區(qū)法生長(zhǎng)得到的Tm:YGG晶體屬于立方晶系,點(diǎn)群為m3m,空間群為Ia3d,并且計(jì)算了晶體的晶胞參數(shù);通過X射線熒光分析得到了 Tm:YGG系列晶體中各個(gè)元素的含量,計(jì)算得到了T Tm~(3+)和Y~(3+)的有效分凝系數(shù)均接近于1,表明Tm:YGG晶體在生長(zhǎng)的過程中銩元素和釔元素分布具有很好的均勻性。2、對(duì)Tm:YGG系列晶體的比熱、熱膨脹、熱擴(kuò)散和熱導(dǎo)率進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)試分析,研究了上述熱學(xué)性質(zhì)隨溫度變化的關(guān)系,并且詳細(xì)分析了 Tm:YGG晶體在室溫300 K下的熱學(xué)性能,最大熱導(dǎo)率為7.784 W/mK。通過測(cè)試結(jié)果確定了各個(gè)摻雜濃度的Tm:YGG晶體均具有優(yōu)良的熱學(xué)性能,適合作為激光材料應(yīng)用到激光器中。三、Tm:YGG系列晶體的光學(xué)性質(zhì)1、測(cè)試了各個(gè)摻雜濃度Tm:YGG晶體的室溫吸收譜,分析了九處吸收峰分別對(duì)應(yīng)的Tm~(3+)能級(jí)躍遷,在波長(zhǎng)786 nm處吸收峰強(qiáng)度較強(qiáng)且半峰寬較大,能夠很好地吸收泵浦光。2、通過室溫吸收譜并利用倒易法計(jì)算得到了 Tm:YGG系列晶體的吸收和發(fā)射截面,得到了 5at.%Tm:YGG在786 nm表現(xiàn)出最大的吸收截面并且在2012 nm處表現(xiàn)出最大的發(fā)射截面,通過吸收截面和發(fā)射截面計(jì)算了有效增益截面。3、采用中心波長(zhǎng)為795 nm的激光二極管作為泵浦源對(duì)Tm:YGG晶體進(jìn)行了連續(xù)激光實(shí)驗(yàn),得到了 2012.8nm的輸出激光,對(duì)5at.%Tm:YGG晶體的連續(xù)激光實(shí)驗(yàn)中,吸收泵浦功率為8.75 W時(shí),最大輸出功率為0.81 W,斜效率為9.9%,光光轉(zhuǎn)換效率為9.3%,表明Tm:YGG激光晶體在2 μm波段有很好的應(yīng)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 .

【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：O78;O734

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本文編號(hào)：1676469