發(fā)布時間：2018-05-13 11:13

  本文選題：無序結(jié)構(gòu)晶體 + 晶體生長��； 參考：《山東大學》2017年博士論文

【摘要】：激光作為20世紀最偉大的發(fā)明之一,被譽為"最快的刀"、"最準的尺"和"最亮的光"。而激光晶體作為激光的核心部件,無疑是這刀之刃、尺之標、光之源。近年來,無序結(jié)構(gòu)晶體因兼具玻璃的無序性和晶體的有序性,展現(xiàn)出優(yōu)異的光譜特質(zhì),在超快激光等領(lǐng)域發(fā)揮出極大的優(yōu)勢和無限的潛能。本論文瞄準激光領(lǐng)域最前沿的發(fā)展需求,以無序結(jié)構(gòu)晶體為研究對象,開展了包括紅外激光、可見光激光、超快激光、以及磁光等多種功能的新型無序結(jié)構(gòu)晶體的生長、優(yōu)化、性能和應用等方面的研究。研究對象具體針對兩大類三種系列的無序結(jié)構(gòu)晶體,即:屬于K2NiF4結(jié)構(gòu)類型的CaGdAlO4(CGA)系列晶體,和屬于石榴石結(jié)構(gòu)類型的YSGG、TSAG系列晶體。具體研究內(nèi)容表述如下:CGA晶體的生長、物理性能和色心研究以及其在可見波段的應用預測不同氣氛環(huán)境下成功定向生長了棕色和無色的高質(zhì)量CGA單晶。CGA晶體在含氧氣氛下生長呈現(xiàn)出反常的棕色。運用密度泛函理論對該著色原因進行理論計算,結(jié)果表明氧缺陷和氧缺陷引起的可見波段吸收是導致晶體著色的原因。其中,棕色晶體著色主要源于間隙氧缺陷的增加,該計算結(jié)果與實驗現(xiàn)象吻合較好。之后,我們系統(tǒng)表征比較了不同顏色的CGA晶體的基本性能,包括密度、硬度、熱學性質(zhì)和光學性質(zhì)等。其中,惰性氣體氣氛下生長的無色CGA晶體具有結(jié)構(gòu)無序、熱學性能優(yōu)、透過光譜寬(227-7140 nm),且最大聲子能量低(618cm-1)等特點,在紫外可見波段的超快激光輸出方面具有潛在的應用價值。Pr:CGA可見光激光增益晶體的生長改性、性能提升和光譜性質(zhì)直接泵浦輸出的高功率可見光激光在數(shù)據(jù)存儲、醫(yī)學、光譜學、熒光顯微鏡以及全色顯示等領(lǐng)域具有重大的應用需求。但受限于激光增益介質(zhì),可見波段激光的發(fā)展還很不成熟。CGA晶體具備聲子能量低、熱學性質(zhì)優(yōu)、機械加工性能好、透過光譜寬等優(yōu)點,是一種潛力巨大的可見光激光基質(zhì)晶體。此外,其無序的晶體結(jié)構(gòu)也為未來鎖模激光輸出提供了無限可能。因此,該部分展示了關(guān)于Pr:CGA晶體生長改性和性能表征的相關(guān)內(nèi)容。其中,我們創(chuàng)造性的采用助熔劑提拉法對Pr:CGA晶體進行了優(yōu)化生長,優(yōu)化后的晶體在晶體結(jié)晶性、光學均勻性以及熱學性質(zhì)等方面都展現(xiàn)出巨大的提升。另外,我們也對Pr:CGA晶體的光譜性質(zhì)進行了詳細的研究。多項結(jié)果表明,Pr:CGA晶體在可見光激光輸出方面擁有巨大的潛能。Yb:CLGA晶體的設計生長、光譜展寬和超快激光輸出我們通過向Yb:CGA晶體中引入Lu3+離子的方式設計了結(jié)構(gòu)更加無序的Yb:CLGA晶體,并對該晶體進行了生長探索和性能表征。其中,Yb:CLGA晶體的低溫(9.6 K)吸收光譜很好的證明了其結(jié)構(gòu)的無序性;而與Yb:CGA相比,Yb:CLGA晶體也在發(fā)射光譜中表現(xiàn)出了明顯的展寬性能。之后,我們對結(jié)構(gòu)無序度最高的Yb:CLGA晶體的晶體質(zhì)量和光譜性能進行了全面的表征。此外,基于Yb:CLGA1#晶體的SESAM鎖模激光實現(xiàn)了 69.3 fs的超快激光輸出。超快激光輸出中心波長為1054 nm,平均功率為232 mW,最高峰值功率達到63.7 kW水平。該晶體實現(xiàn)了在1023.1-1088.8 nm波長范圍內(nèi),調(diào)諧寬度達65.7 nm,分辨率為0.1 nm的連續(xù)可調(diào)諧激光輸出。而且,以黑磷為飽和吸收體的Yb:CLGA1#鎖模激光實驗也實現(xiàn)了基于此飽和吸收體迄今為止功率最高且脈寬最窄的超快激光輸出。因此,光譜性質(zhì)更優(yōu)的Yb:CLGA 2#晶體有望在更窄脈寬和更高功率的超快激光輸出方面實現(xiàn)新的突破。Nd:CGA/Nd:CLGA系列晶體的生長改性和光譜分析成功生長了 Nd:CGA和Nd:CLGA系列晶體,并重點研究了 Lu3+對晶體性質(zhì)的影響。研究表明,Nd3+離子在CGA晶體和CLGA系列晶體中的分凝系數(shù)達到0.78,遠大于其在GGG(～0.4)和YAG(～0.2)晶體中的分凝系數(shù),有利于Nd3+離子摻雜晶體濃度分布的均勻性。經(jīng)過Lu3+改性的Nd:CLGA晶體較Nd:CGA晶體比熱性能有所提高,a切樣品光譜也發(fā)生了明顯展寬。其中,Nd:CLGA晶體主峰位置的半峰寬可達22nm,這將大大有利于鎖模超快激光的輸出。因此,可以預測Nd:CLGA晶體是一·種具有潛在應用的優(yōu)秀的Nd3+摻雜超快激光晶體。Er:YSGG中遠紅外激光晶體的高質(zhì)量生長和高效率激光輸出采用60mm 口徑的坩鍋,成功生長了不同尺寸的高質(zhì)量的Er:YSGG單晶,最大直徑為35 mm,最長等徑長度為100 mm。高分辨X射線衍射和激光干涉實驗表明所生長的Er:YSGG單單晶(444)面的搖擺曲線為32.61弧秒,光學均勻性均方差達到10-6量級,證明該晶體結(jié)晶性好,光學均勻性高。熱學性質(zhì)表明摻雜濃度為30 at.%的Er:YSGG晶體室溫下熱導率為3.27 W·m·1·K-1。開展了 Er:YSGG晶體端泵連續(xù)激光輸出實驗。實驗樣品吸收泵浦效率達到93%,實現(xiàn)了最高輸出功率745 mW中心波長位于2978.7nm的紅外激光輸出,輸出最高斜效率達到31%。該激光輸出斜效率優(yōu)于目前報道的Er:YSGG連續(xù)激光輸出最高斜效率水平。TSLAG晶體的生長、改性、磁光性能和隔離器表現(xiàn)使用低成本Sc203原料探索了 TSLAG的生長習性,初步解決了其生長方面的問題。TSLAG晶體莫氏硬度為7.6,具有較好的機械加工性能。晶體性光學性能測試表明:磁光方面,TSLAG晶體具有較低的吸收系數(shù),大的法拉第旋轉(zhuǎn)能力,高的磁光優(yōu)值,各項數(shù)據(jù)指標優(yōu)于商用的TGG(Tb3Gd2Ga3O12)晶體;激光方面,TSLAG晶體在486 nm處存在特征吸收峰,在492 nm、543 nm、552 nm、591 nm和662 nm等處存在發(fā)射峰,且熒光壽命達到14.7 μs,具有可見光激光輸出的潛能。TSALG晶體成功裝配成高功率激光用隔離器產(chǎn)品,各項指標并滿足商業(yè)化產(chǎn)品要求。此外,我們從籽晶、坩堝、原料、晶體直徑等方面進一步優(yōu)化改進,使用60 mm 口徑的坩堝實現(xiàn)了等徑尺寸Φ35×60 mm3的高質(zhì)量TSLAG晶體生長,磁光性能達到TGG晶體的1.2倍,相應的隔離器水平有望進一步提升。
[Abstract]:As one of the greatest inventions of the 20th century , laser has been hailed as the " fastest knife " . This paper studies the growth , optimization , performance and application of a novel disordered structure crystal , including infrared laser , visible light laser , ultra - fast laser , and magneto - optical . In addition , Yb : CLGA 2 # crystal , which is based on Yb : CLGA1 # crystal , has a great potential for the laser output of Yb : CLGA crystal . Er 鈭，

本文編號：1882913