Nd∶GdYAG激光晶体的光谱分析及热学性能研究

本文对所生长的Nd∶GdYAG晶体的吸收光谱和荧光光谱进行了测试,采用Judd-Ofelt理论对振子强度和线强、强度参数Ω_(t)、4 F_(3/2)→4 I_(J)能级间的跃迁概率、能级辐射寿命、荧光分支比等光谱参数进行了计算,相关数据与YAG、LuAG、YVO4等晶体进行了对比。Ωt计算得出Ω2=(0.813±0.200)×10^(-20)cm^(2),Ω4=(3.381±0.187)×10^(-20)cm^(2),Ω6=(5.135±0.278)×10^(-20)cm^(2),相比YAG、LuAG、YVO4等晶体,Nd∶GdYAG晶体的强度参数Ω2较大,表明Gd^(3+)的掺入增大了基质的无序度。计算并拟合了300~1200 nm的吸收截面和折射率,其中808 nm处的吸收截面为5.0×10^(-20)cm^(2),1064 nm处的折射率为1.80。实测4 F3/2能级的荧光寿命为228μs,与计算的能级辐射寿命240μs接近;1064 nm处的发射截面为1.23×10^(-19)cm^(2),接近Nd∶YAG晶体的发射截面。室温下Nd∶GdYAG晶体的热导率为5.992 W/(m·K),略小于Nd∶YAG和Nd∶GGG,但大于Nd∶YVO4晶体。研究表明,Nd∶GdYAG是一种有应用前景的新型激光晶体材料。

提拉法下Yb:YAG单晶缺陷的正电子湮没研究

为满足固体激光器的应用需求,研究人员不断改进YAG激光晶体生长技术,其中控制YAG中的缺陷结构对于晶体的生长尤为重要。本工作对提拉法两种工艺制备的晶体样品进行了缺陷研究,特别是晶体散射点的起源。正电子湮没技术是一种对材料微观结构十分灵敏且有效的核物理技术分析表征手段,对空位缺陷、微孔等极为敏感。根据正电子湮没寿命谱与多普勒展宽谱的分析结果,无论工艺、有无散射点,样品的正电子寿命及多普勒展宽线性参数均存在差异。这说明晶体主要缺陷是YAG结构中的本征缺陷,散射点可能是空位团聚引起的纳米微孔,研究表明该技术可以灵敏地表征YAG晶体散射点。正电子湮没实验反映的晶体单晶质量差异与X射线衍射、单晶摇摆曲线、光透过率以及位错密度结果吻合。在研究晶体的物理性能和缺陷与材料微结构的关系上正电子湮没技术具有独特的技术优势,同时正电子湮没技术可以在微观尺度上有效反映晶体质量。

2.9μm新型发光材料Yb,Ho共掺钽酸盐的结构与光谱特性

采用固相法制备了5at%Yb和1at%Ho掺杂的LnTaO4(Ln=Gd,Y)多晶粉末,对X射线粉末衍射数据进行Rietveld全谱拟合,获得了其结构参数。在常温下测量了漫反射谱,光致发光谱和荧光寿命,指认了对应的能级跃迁。结果表明,采用940 nm LD激发,在Yb,Ho共掺钽酸盐中可以获得2.9μm附近波长的宽带发光。因此,Yb,Ho共掺钽酸盐有希望成为一类新型激光二极管泵浦的中红外激光材料。

2.1μm激光晶体Cr,Tm,Ho∶YAG的生长、光谱和激光性能

采用提拉法成功生长出了优质的Cr,Tm,Ho∶YAG晶体,并对其光谱及激光性能进行了研究。测量了晶体在350~2700 nm波段内的吸收光谱。用450 nm激光激发,测量了晶体的稳态和瞬态荧光光谱,拟合得到2.1μm激光上能级的寿命为10.65 ms。用F-L公式计算了晶体在2.1μm处的发射截面为6.92×10^(-20)cm^2,并与其他Ho^(3+)掺杂的激光晶体进行了对比。采用氙灯泵浦Cr,Tm,Ho∶YAG晶体棒,实现2.1μm的脉冲输出。在3 Hz和10 Hz时的激光阈值分别为33.11 J和33.88 J,斜效率均为4.5%,比市售成熟的激光棒的激光输出效率更高。

采用XRF方法准确测定Yb:YAG晶体组分

针对目前普遍存在的难以准确测定晶体组分的问题,提出一种以YAG晶体为标样、采用X射线荧光光谱分析法准确测定晶体组分的方法。测试样品分别为纯YAG晶体、生长原料掺杂浓度1.2 at%和2.0 at%Yb:YAG晶体,采用X射线荧光光谱分析法,对不同浓度的Yb:YAG晶体的组分进行了无损、快速、准确的测定。以纯YAG晶体作为标准样品,标定主成分的含量,大幅提高了检测结果的准确度,主成分Y^(3+)和Al^(3+)的测试误差小于1%、掺杂Yb3+的测试误差小于5%。通过晶体放肩初始部位Yb^(3+)的浓度测定结果,计算出Yb^(3+)在两种待测晶体中的分凝系数分别为1.025和1.045,接近于1,有利于实现Yb:YAG晶体的高浓度掺杂以及优质晶体生长。2.0 at%Yb:YAG晶体的首尾掺杂浓度差小于5%,说明晶体等径部分掺杂浓度均匀性高。

2.7～3μm稀土激光晶体研究进展

本文介绍了以稀土Er3+和Ho3+为激活离子,YAG,YAP,YLF,YSGG,GSGG为基质的2.7～3μm激光晶体的特点和应用背景,展示了其中一些晶体的吸收和荧光光谱,讨论了这些晶体的能级结构、光谱和激光特性及器件研究进展,并认为提高效率和激光输出功率以及获得新的特征波长是今后2.7～3μm激光晶体的主要发展方向。

自准直法测GdTaO_4晶体折射率

本文利用自准直法在473,532,632.8和1064 nm的激光波长上精确地测量出GdTaO_4晶体的折射率,得到了Sellmeier方程,并计算了在632 nm处光轴与折射率主轴z的夹角为21.75?,进而得知GdTaO_4晶体是正光性双轴晶体.

高密度闪烁体Nd∶GdTaO_(4)和Nd∶LuTaO_(4)发光跃迁强度计算

GdTaO_(4)和LuTaO_(4)是具有快发光衰减的新型重闪烁体。采用全谱拟合方法拟合了808 nm激光二极管(LD)激发的M相Nd∶GdTaO_(4)和M′相Nd∶LuTaO_(4)的光致发光谱,给出了它们的跃迁强度参数A k t,p。在808 nm激光激发下,GdTaO_(4)中Nd ^(3+)离子^(4)F _(3/2)能级的上下两个晶场子能级的粒子布居数比例接近1,而在Nd∶LuTaO_(4)中则为1.30、1.41,表明在808 nm激光激发下,Nd ^(3+)的^(4)F_(3/2)两个晶场子能级间的无辐射弛豫速率与激发速率相近。通过给出的跃迁强度参数A_(kt,p)计算了Judd-Ofelt跃迁强度参数Ω_(t),计算了Nd ^(3+)在GdTaO_(4)、LuTaO_(4)中的^(2)P_(3/2)跃迁几率,表明GdTaO_(4)和LuTaO_(4)中Nd ^(3+)的数百纳秒发光跃迁是由高的无辐射跃迁几率导致的快发光衰减。

Cr,Nd:GSAG晶体生长、光谱及LD泵浦激光性能研究

Cr,Nd:GSAG是一种性能优良的激光晶体,但是关于它的LD泵浦激光性能的研究很少。用提拉法生长了Cr,Nd:GSAG晶体,测定了它的化学成分、结构,初步测试了它的激光性能。晶体的(111)面X射线摇摆曲线半高全宽为0.055°。采用Rietveld方法精修X射线粉末衍射谱得到了Cr,Nd:GSAG晶体的原子结构参数、温度因子等。Cr,Nd:GSAG的最强吸收峰位于808.6 nm处,吸收截面为3.38×10-20cm2。808 nm光激发下,Cr,Nd:GSAG的最强发射峰位于1060 nm,发射截面为6.04×10-20cm2,并测得激光上能级4F3/2的荧光寿命为274μs。利用808nm连续波LD泵浦实现了1060 nm的激光输出,在输入功率为8.88 W时,最大输出功率为0.513 W,斜效率为6.73%,光-光转换效率为5.78%。此外还讨论了Cr,Nd:GSAG晶体中的Cr^(3+)与Nd^(3+)之间的能量传递机理。

Nd：YSAG单晶的光谱和激光性能

用提拉法生长了(1.5 at.%)Nd^(3+):Y_3Sc_2Al_3O_(12)(YSAG)激光晶体,摇摆曲线表明晶体结晶质量优良.测量了该晶体的吸收和发光光谱,表明其适合成熟的808 nm激光二极管(LD)抽运,其~4F_(3/2)→~4I_(11/2)跃迁最强发射波长为1059 nm,发射截面为1.03×10^(-19)cm^2,同时其激光上能级寿命为253μs,表明Nd:YSAG具有和Nd:YAG相近的效率,但其激光上能级寿命比Nd:YAG长约20μs.以LD抽运2 mm×2 mm×6 mm Nd:YSAG激光棒,激光阈值为0.85 W,最高输出功率为1.1 W,激光斜效率为21.1%,光-光转化效率为18.3%.综合表明Nd:YSAG单晶作为激光性能优良的全固态激光材料,更适合全固态调Q激光输出.

Yb:GdScO_(3)晶体光谱参数计算

采用提拉法生长了质量优良的Yb:GdScO_(3)晶体,对样品的X射线粉末衍射进行了Rietveld精修,给出了晶体计算密度及掺杂浓度。Yb^(3+)的有效分凝系数计算为1.04。室温下测量了其吸收光谱、发射光谱和荧光寿命,首次计算了GdScO_(3)基质中Yb^(3+)的吸收、发射振子强度、谱线强度、跃迁概率、能级寿命和积分发射截面等重要光谱参数,对其激光性能进行了初步评估。结果表明,Yb:GdScO_(3)易于输出1030 nm和1060 nm波段附近的激光,而对于1000 nm附近的激光输出则只有在高粒子数反转情况下才可能实现。

YAG晶体的位错研究进展

大尺寸YAG晶体的生长不可避免地会出现各种缺陷,位错是晶体中主要的缺陷之一。位错会产生应力双折射,降低晶体的光学均匀性,增大损耗、缩短使用寿命等,因此生长出无位错或低位错YAG晶体对发展高效率固体激光器具有重要意义。本文综述了近四十年来国内外对于YAG晶体的位错研究状况,总结了化学腐蚀法、缀饰法、同步辐射法、应力双折射法、X射线透射形貌术、光散射层貌术等在位错方面的研究以及TEM、SEM等方法在YAG位错研究上的应用,并对晶体生长工艺对晶体内部位错密度与分布的影响进行了介绍,为大尺寸、高品质YAG激光晶体的制备和位错研究提供了参考。

Yb,Ho,Pr:GYTO晶体生长、结构及光谱性能(特邀)

首次采用提拉法成功生长出了新型中红外激光晶体Yb,Ho,Pr:GYTO,采用X射线Rietveld精修方法得到了晶体的结构参数。测量了Yb,Ho,Pr:GYTO晶体(100)、(010)和(001)衍射面的X射线摇摆曲线,衍射峰的半峰宽分别为0.036°、0.013°和0.077°,表明生长出的晶体是单晶并且具有较高的结晶质量。采用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱法测定了Yb,Ho,Pr:GYTO晶体中Yb^(3+)、Ho^(3+)、Pr^(3+)和Y^(3+)的浓度,Yb,Ho,Pr:GYTO晶体中Yb^(3+)、Ho^(3+)、Pr^(3+)和Y^(3+)的有效分凝系数分别为0.624、1.220、1.350和0.977。测量了Yb,Ho,Pr:GYTO晶体室温下的极化吸收谱,并指认了相应的能级吸收跃迁。940 nm半导体激光器激发的2.9μm荧光光谱表明,最大发射波长为2908 nm。此外,还论证了GYTO中YbHo-Pr的能量传递机制。与Ho:GYTO晶体相比,Yb,Ho,Pr:GYTO晶体的^(5)I_(7)能级寿命降低了87.13%,与上能级^(5)I_(6)的寿命相近,说明Yb,Ho,Pr:GYTO晶体更容易实现粒子数反转和激光输出。

Nd∶YTaO_4的制备、结构与发光性能

为探索新型激光材料,采用高温固相反应法合成了(1at%)Nd∶YTaO_4多晶粉末,研究了其结构与发光性质。利用Rietveld方法对样品的X射线衍射谱进行精修得到晶胞参数、原子坐标等。测试了样品8 K温度下的激发光谱以及8 K和室温下808 nm激发的荧光光谱,对发光谱峰进行了指认,获得了Nd^(3+)在YTaO_4中的晶场能级分裂。结果表明,Nd^(3+)的~4F_(3/2)→~4I_(11/2)跃迁的发射截面为28.4×10^(-20)cm^2,荧光寿命为155μs。较小的发射截面和较长的能级寿命表明Nd∶YTaO_4是一种很有希望的激光二极管抽运的调Q激光材料。

机器学习在晶体生长中的应用研究进展

制备大尺寸优质晶体是材料领域的重要课题,当前晶体生长仍十分依赖于技术人员的生长经验,耗时长,成本高,导致研制进度十分缓慢。随着计算机科学的发展,机器学习有望加快大尺寸晶体生长工艺的探索速度。本文概述了机器学习在晶体生长中的应用,重点介绍了进化算法和神经网络算法,并概括了国内外相关领域的研究成果。在晶体结构预测方面,已成功开发出晶体结构预测软件,如Crystal Structure Prediction Network(CRYSPNet)、Universal Structure Predictor:Evolutionary Xtallography(USPEX)和Crystal structure AnaLYsis by Particle Swarm Optimization(CALYPSO)。在晶体生长条件优化方面,机器学习已成功用于铸锭炉热场优化、Si C、YAG、Si单晶温场以及生长工艺参数优化,取得了显著的效果。在晶体生长控制方法方面,机器学习已成功改进了激光晶体、Si单晶的直径控制,并在Si单晶晶体质量控制以及模型的自适应控制方法方面也取得了一定的进展。机器学习具有高精度、高效率的特点,可避开复杂的物理化学过程,通过从大量数据中挖掘信息和规律,实现晶体结构预测、晶体生长条件优化以及晶体生长精准控制。但机器学习在晶体生长中的应用也面临诸多挑战,包括大尺寸多元复杂体系的晶体结构预测、模型物理解释和数据处理、晶体生长过程的物理机制和控制规律以及多因素的耦合和复杂系统的模拟等。

磁光晶体的研究进展及应用

随着光通信和高功率激光技术等领域的发展,磁光隔离器得到了越来越广泛的研究和应用,推动了磁光材料尤其是磁光晶体的发展。目前已经发展了多种新型磁光晶体,同时为了满足大功率激光的需求,需要不断提高磁光晶体尺寸和光学品质。本文首先介绍了法拉第磁光效应及应用,然后介绍了稀土正铁氧体、稀土钼酸盐、含铽铌酸盐、钇铁石榴石、含铽石榴石磁光晶体及部分种类磁光陶瓷的研究进展,最后对磁光晶体的未来进行了展望。

Yb^3+掺杂稀土钽铌酸盐的晶体场从头计算研究

Yb^3+掺杂晶体材料是重要的激光材料,在超短脉冲激光、大功率激光等领域有重要应用前景,但长期以来很难通过实验拟合确定Yb^3+晶体场参数,尤其是低对称体系,从头计算是解决此问题的重要途经。本文介绍了适合计算稀土离子掺杂晶体的从头计算DV-Xα方法和有效哈密顿量模型,用该方法计算了Yb^3+掺杂M型和M’型钽铌酸盐的晶场参数和旋轨耦合参数,得到的能级结构和实验能很好地符合,并发现了Yb^3+掺杂钽铌酸盐的晶场强度参数随稀土原子序数呈现规律变化。表明结合DV-Xα计算和有效哈密顿量方法是计算Yb^3+掺杂低对称钽铌酸盐晶体场的有效途径,结果显示Yb^3+掺杂钽铌酸盐晶体有望成为新型全固态激光工作物质。

YAG晶体研磨工艺与研磨后亚表面损伤研究

YAG晶体是一种典型硬脆材料,莫氏硬度达8.5,常温下不溶于任何酸碱,加工难度较大。针对YAG晶体研磨加工,本工作提出一种分步研磨工艺。基于游离磨料研磨的方法,在研磨过程中逐级减小碳化硼(B4C)磨料粒径,选用磨料W40、磨料W28、磨料W14、磨料W7分步骤研磨,4种磨料的粒度范围依次为:40~28μm、28~20μm、14~10μm、7~5μm。通过研磨参数试验研究了每个步骤中研磨压力、研磨盘和摆轴转速、研磨液中B4C质量分数等参数对研磨效果的影响,得出最佳研磨参数;通过截面显微法测量出YAG晶体研磨后亚表面损伤的深度,确定后续抛光去除量,并探究了亚表面损伤深度hSSD与研磨后表面粗糙度Ra的关系。研究表明:当研磨压力为44.54 kPa、研磨盘和摆轴转速为60 r/min、研磨液中B4C质量分数为15%时,每个研磨步骤均取得最好研磨效果:磨料W40、磨料W28、磨料W14、磨料W7研磨的材料去除率分别为83.12、57.32、27.54、9.53μm/min,研磨后表面粗糙度Ra分别为0.763、0.489、0.264、0.142μm。截面显微法测量得出分步研磨后产生的亚表面损伤深度为3.041μm,需要在后续抛光中去除;此研磨参数下YAG晶体研磨后亚表面损伤深度与表面粗糙度的关系为:hSSD=41.46×Ra4/3,该研究可为YAG晶体元件的实际加工生产提供指导。

Nd∶GSAG晶体生长、结构、光谱及激光性能

Nd∶GSAG是重要的942 nm固体激光工作物质,在机载和星载水汽检测中有重要的应用。生长了低浓度Nd∶GSAG晶体,通过与高掺杂浓度Nd∶GSAG、Nd∶YAG进行对比,研究了它的结构、光谱和激光性能。掺杂原子数分数为0.94%的Nd∶GSAG晶体在808.5 nm处的吸收系数为3.79 cm^(-1),吸收截面为3.41×10^(-20)cm^(2),4 F3/2上能级寿命为275μs,比掺杂原子数分数为1.20%的Nd∶GSAG晶体高出22μs。掺杂原子数分数为0.94%的Nd∶GSAG晶体在942 nm和1060 nm处的激光半峰全宽分别为0.53 nm和0.59 nm,比Nd∶YAG在946 nm和1064 nm处的激光半峰全宽0.66 nm和0.64 nm窄,表明其光波单色性更好。掺杂原子数分数为0.94%的Nd∶GSAG在942 nm处的斜效率和光光转换效率分别为5.5%和4.2%,优于Nd∶YAG在946 nm处的斜效率(5.0%)和光光转换效率(3.2%),但在1.06μm附近低于Nd∶YAG。942 nm处于水汽的吸收波段,上述结果表明Nd∶GSAG的942 nm波段激光有望成为水汽检测的优良光源。

YAG晶体位错密度分布及蚀坑形貌

YAG晶体在光电子领域有着重要的应用,晶体生长的缺陷控制是需要解决的瓶颈问题。本工作研究了缩颈和无缩颈提拉法生长的YAG晶体的位错形貌及密度分布,通过对YAG晶体进行抛光、浓磷酸位错腐蚀和金相显微镜分析研究,发现YAG晶体的头部位错密度最大,等径处的位错密度最小,延伸至收尾处位错密度略升高,缩颈结束收细直径的地方位错密度显著降低;分析了不同晶向的YAG位错腐蚀坑形貌,由表面模型计算了YAG各晶面的表面能,结果表明:YAG晶体位错蚀坑相对稳定的外露面为(110)和(112)面。通过极射投影图进一步说明了(110)和(112)面的稳定性及其与晶面的位置关系是决定位错腐蚀坑形貌的重要原因。