不同浓度Y^(3+)离子掺杂对CaF_(2)晶体性能的影响

氟化钙(CaF_(2))晶体具有良好的光学性能和化学稳定性,常常在极端边缘的光学窗口场景中用作基底材料。值得关注的是,CaF_(2)晶体的抗辐照损伤性能作为紫外激光器窗口材料的关键性能之一,由于解理效应导致的损伤增长过快,实际损伤阈值远低于理论值,无法满足紫外大功率激光器件的需求,是限制其在高功率紫外激光器中应用的主要因素。本研究运用材料组分设计,通过掺杂惰性稀土Y^(3+)引入F_(i)^(-),利用Y^(3+)与F_(i)^(-)之间的团簇作用增加解理面之间的键合数,以达到增强层间结合力,降低解理效应,提高损伤阈值的目的。采用坩埚下降法的晶体生长工艺,使用多孔坩埚在同一条件下制备了不同Y^(3+)掺杂浓度的CaF_(2)晶体,并对掺杂的CaF_(2)晶体的光学质量、机械性能以及热学性能进行分析表征。实验结果表明,适量Y^(3+)掺杂对CaF_(2)晶体的光学性能和热学性能,如透过率、热膨胀系数和热导率等改变较小,不影响CaF_(2)晶体的使用;而对机械性能,如剪切强度影响相对突出,当掺杂浓度为原子分数0.36%时,其剪切强度提高了68.4%,对应Y:CaF_(2)晶体的激光损伤阈值提高了166%。

掺铒CaF_(2)、SrF_(2)、PbF_(2)晶体的光谱性能与团簇结构研究

3μm波段中红外激光处于大气传输窗口,又可以作为基础光源,是激光技术研究的前沿。目前,铒离子激活的激光晶体材料是产生3μm中红外激光的重要途径之一。然而,Er3+离子4I11/2激光上能级荧光寿命较短,下能级4I13/2的寿命较长,难以实现粒子数反转,导致自终止现象。为了解决这一难题,往往需要高浓度掺杂,通过能量传递降低4I13/2能级的寿命。然而高浓度掺杂又会造成晶体热性能变差,限制了掺Er3+激光晶体效率和功率。三阶铒离子容易在氟化物晶体中形成团簇,导致稀土离子间距缩短,即使在低掺杂浓度下稀土离子之间的能量传递作用仍较为显著。同时,低浓度掺杂还可以减轻激光运转下晶体的热堆积效应。掺铒氟化物晶体已成为一类重要的高功率、高效率中红外激光材料。然而,掺铒氟化物晶体的光谱性能与铒离子团簇结构之间的相互联系尚不明确,制约了掺铒氟化物晶体光谱和激光性能的进一步发展。本文采用第一性原理计算模拟了铒离子在CaF_(2)、SrF_(2)和PbF_(2)晶体中的团簇结构。结果显示,铒离子团簇结构随基质晶体变化逐渐演变。结合模拟计算和实验表征定性揭示了不同晶体离子团簇与光谱性能的联系,为掺铒氟化物中红外激光晶体材料的调控与设计提供参考。

氟化物磁光晶体的研究进展与应用

光通信技术发展迅速,激光平均功率不断提高,磁光隔离器是保证激光单向传输、维持光学系统稳定高效工作的基础,而磁光介质作为磁光隔离器的核心部件也因此得以快速发展。首先简要介绍了几种磁光材料以及当前广泛应用的石榴石磁光晶体的缺点、法拉第效应的原理和应用,随后系统分析了作为新一代磁光晶体的各类氟化物磁光晶体的优缺点,最后展望了CeF_(3)磁光晶体潜在的应用前景以及未来氟化物磁光晶体的发展趋势。

尺寸效应对坩埚下降法生长氟化钙晶体影响机制的数值模拟分析

高质量大尺寸氟化钙晶体是深紫外光刻、空天相机等高端应用不可或缺的光学材料,同时制备高质量大尺寸晶体也是晶体生长领域的难题。本文以数值手段分别模拟了3、7和20英寸(1英寸=2.54 cm)氟化钙晶体在不同生长阶段的传热、流动及相变过程。结果表明,晶体尺寸增加大幅加强熔体流动强度,而且造成坩埚外壁散热部分的面积急剧增加,由此引发固液界面局部凹陷、径向温差增大、晶体边缘-中心温差翻转、生长界面附近的轴向温梯大幅衰减等问题。此外,本文还就大尺寸氟化钙晶体生长中的坩埚下降速率和发热体功率的优化控制策略进行了探讨。

编者按

激光晶体和非线性光学晶体能够实现激光增益、频率转换、强度与相位调制等功能,是激光技术赖以发展的核心基础材料,对国民经济、社会发展和国家安全保障有着不可替代的支撑作用,也是世界科技强国高技术发展规划中的优先发展战略方向。我国人工晶体研究在世界范围内具有重要影响力,部分激光与非线性光学晶体的研发水平居国际前列。“十四五”以来,面向电子信息、通信、能源、人工智能等领域变革式发展的迫切需求,国家持续加大激光与非线性光学晶体的研发支持力度。2021年和2022年科技部发布的国家重点研发计划“新型显示与战略性电子材料”重点专项指南中,先后有“激光与非线性光学晶体高通量制备与表征”“大尺寸激光晶体材料制备的关键技术与应用研究”两个激光与非线性光学晶体相关研究方向入选,并于指南发布当年正式立项。本专题聚焦上述两个国家重点研发计划项目的研究工作,报道立项以来项目团队阶段性研究成果,为国内外同行提供有益借鉴,推动项目成果的普及和应用。

进口采煤机电气控制系统国产化改造研究与实践

为解决旧式进口采煤机电气控制系统配件采购难、采购费用高、故障率高的难题,提出电气系统国产化、自动化、智能化的改造方案和设计思路,通过引进先进的设计理念和制造工艺,对采煤机电气系统的关键部件、控制系统、通信与数据分析、人机交互及安全性能等方面进行优化升级,结果表明新的电气控制系统可以提高采煤机整体性能,降低生产成本并提高矿产回收率,有助于提高采煤机的自动化程度和作业精度。

Nd,Y∶SrF_(2)激光晶体的位错缺陷表征及分布研究

氟化物激光晶体Nd,Y∶SrF_(2)(NYSF)具有热导率高、发射光谱宽、发射截面适中等特点,在高功率激光技术领域具有重要应用。激光晶体中的位错是反映其晶格完整性的一类重要的微观晶体缺陷,对晶体材料的力学、光学性能具有重要影响。本文采用坩埚下降法制备了NYSF激光晶体,分析了腐蚀实验条件对位错蚀坑形貌的影响,获得了化学腐蚀法研究NYSF晶体位错缺陷的最佳腐蚀工艺,即浓度为4 mol/L的盐酸溶液作为腐蚀液,腐蚀温度为60℃、腐蚀时间为9~12 min;表征了位错腐蚀坑形态的演变过程,探讨了晶格原子排列对位错蚀坑形态的影响;利用化学腐蚀方法表征了位错缺陷在晶体中的分布规律,即轴向分布为从放肩到尾部先减少后增加,径向分布为从中心到边缘逐步增加;分析了晶体生长条件对位错缺陷形成的影响,提出了位错密度随坩埚下降速率的提高而升高的可能原因。

稀土正铁氧体晶体的太赫兹光学调控研究

正交钙钛矿结构RFeO_(3)系列稀土正铁氧体材料是一类在近红外波段透明的铁磁材料,关于RFeO_(3)的超快自旋重取向及其相干控制的研究近年来成为相关领域的研究热点。由于固态材料的磁化振子和电子自旋共振能谱等基本性质的“元激发”能量均在太赫兹能量范围内,得益于太赫兹技术的发展,近年来利用太赫兹超快光学调控RFeO_(3)晶体中不同离子间的交换相互作用、磁各向异性自旋-声子耦合等也取得了一系列突破,对磁学的基础研究具有重要意义。结合笔者近几年的研究进展,总结了国内外RFeO_(3)晶体太赫兹光学调控研究情况,并对该类晶体的超快光磁研究进行了展望。

193 nm激光下不同含量Y杂质CaF_(2)晶体辐照损伤研究

氟化钙晶体的抗辐照性能是其在深紫外光刻应用中的关键性能之一,目前氟化钙晶体在193 nm激光辐照下的损伤过程尚不清楚。本文报道了193 nm激光辐照下氟化钙晶体的损伤行为及影响损伤的关键缺陷因素。通过193 nm激光辐照试验,发现晶体损伤主要表现为晶体内部产生的辐照诱导色心与表面产生的辐照诱导损伤坑。通过紫外–可见分光光度计对辐照诱导色心分析,并将不同色心吸收系数与Y杂质含量进行线性拟合。结果表明:Y离子具有与F心结构波函数发生重叠的低位轨道,两者发生轨道杂化易形成色心稳定结构;线性拟合结果表明Y离子含量与氟化钙晶体本征色心之间存在线性关系,说明Y元素是影响色心形成的关键杂质离子。实验表征了辐照诱导损伤坑的元素分布和结构缺陷。EDS结果表明损伤坑处伴随着钙元素含量上升和氟元素含量下降,证实H心扩散、F心聚集导致了辐照损伤;EBSD结果表明表面辐照损伤优先在位错处产生。因此,降低杂质含量及位错密度是提高氟化钙晶体在193 nm激光下抗辐照损伤性能的重要途径。

稀土掺杂萤石结构卤化物晶体团簇结构研究

稀土掺杂萤石卤化物在国民经济、国防建设等领域发挥着不可替代的作用。萤石卤化物特殊的晶体结构导致稀土离子团聚,目前针对稀土离子团聚的系统研究还比较少。本文以稀土掺杂萤石卤化物为研究对象,采用第一性原理计算系统研究了从稀土离子单体到高阶团簇的结构特征、演变规律、联系及其影响因素。研究发现,稀土离子单体中心1|0|0|11(C_(4v))和1|0|0|12(C_(3v))稳定性随离子半径变化而改变,且不同晶体的变化趋势不同,与晶格畸变分析结果一致。晶格畸变与库仑作用相互耦合决定了电荷补偿间隙卤离子的占位倾向性,即C_(4v)和C_(3v)中心的相对稳定性。此外,共价效应使得PbF_(2)和SrCl_(2)晶体单体中心结构及其稳定性与CaF 2、SrF_(2)和BaF 2不同。研究还揭示了晶体离子性和晶胞尺寸对单体中心能量差斜率的影响。文中还研究了稀土离子高阶团簇的结构,其稳定性演变规律与单体中心相对应。本文提出了高阶团簇相对稳定性判据,为新型稀土掺杂萤石卤化物的探索、筛选和研发提供指导,有望进一步拓展其应用范围。

热交换坩埚下降法制备大尺寸氟化铈晶体的热场设计与优化

随着CeF_(3)晶体在激光和磁光领域应用的持续发展,大尺寸、高光学质量的CeF_(3)单晶的需求日益急迫,而CeF_(3)熔体的高黏度和低热导率的特性给晶体生长工艺带来了较大挑战。为研究CeF_(3)熔体低导热性引发的生长问题,探究其生长过程中炉体结构和工艺参数对温度分布和结晶界面的影响机制,本工作对热交换坩埚下降法(Heat Exchanger-Bridgman method,HEB)生长大尺寸(ϕ80 mm)CeF_(3)晶体中炉体结构与晶体/熔体温度分布关系、不同生长阶段界面的变化规律以及热场结构对生长界面的作用机制开展了数值模拟研究。研究结果表明:当发热体长度与坩埚长度相适应时,更有利于构建合理的温度梯度场,而放肩和等径生长阶段的凹界面问题则可以通过改变隔板形状和加反射屏调节坩埚壁温度分布得到有效解决。本研究成果不仅可以加深对CeF_(3)晶体结晶习性的理解,炉体结构和生长界面的优化思路对坩埚下降法制备其他晶体同样有实际指导意义。

面向磁光应用的CeF_(3)晶体生长与性能表征

随着高功率激光和光通信技术的迅速发展,如何消除光学系统内部产生的反射噪声是一个至关重要的问题。磁光隔离器是依据法拉第效应设计而成的磁有源器件,能够有效隔离大部分反射光以保证光学系统稳定工作,而法拉第磁光材料作为磁光隔离器的核心部件,其研究和应用推动了磁光隔离器的更新与发展。CeF_(3)晶体具有高透过率、宽透过区间和高Verdet常数等优点,近年来获得了广泛关注,但是其传统生长方法存在成本高、周期长等缺点。本研究通过坩埚下降生长技术,优化温场结构和生长工艺,采用多孔坩埚成功获得多根CeF_(3)晶体。与商用TGG(Tb3Ga5O12)晶体相比,CeF_(3)晶体的透过率得到明显提高,最高达到92%,并且在近红外波段两者的Verdet常数相当。CeF_(3)晶体的比热较高,表明晶体拥有较强的抗热冲击能力和较高的抗激光损伤能力。本研究使用多孔坩埚技术生长CeF_(3)晶体,实现了规模化和低成本生产;生长的CeF_(3)晶体物理性能优良,具有应用于近红外波段磁光隔离器的巨大潜力。

激光加热基座法制备Er∶YAP单晶光纤及性能表征

本文采用了激光加热基座(LHPG)法逆向生长技术,实现了多组分Er∶YAP晶体的快速制备。利用LHPG法开展了Er∶YAP单晶光纤的生长研究,通过解决单晶光纤生长过程中存在的色心、开裂、直径起伏等关键问题,制备出直径0.8 mm、长度65 mm的高品质Er∶YAP单晶光纤。对不同掺杂浓度Er∶YAP晶体的光谱性能进行表征分析,结果表明掺杂浓度5%(原子数分数)时,Er^(3+)间存在较强的能量传递过程,有利于实现高效率中红外激光输出。

Pr^(3+)掺杂碱土混合氟化物激光晶体的生长与发光性能研究

采用多孔坩埚温度梯度法生长了0.6%Pr∶Ca_(x)Sr_(1-x)F_(2)(x=0,0.3,0.5,0.7,1.0)和0.6%Pr,5%R∶Ca_(0.5)Sr_(0.5)F_(2)(R=Y,Lu,Gd)系列碱土氟化物激光晶体,对其晶体结构、吸收和可见波段的荧光光谱及荧光衰减寿命进行了系统研究。通过吸收截面、发射截面、荧光寿命、荧光半峰全宽等光谱参数分析发现,0.6%Pr,5%Y∶Ca_(0.5)Sr_(0.5)F_(2)混晶与其他掺杂混晶相比,具有最佳的光谱效果,443 nm处吸收截面和640 nm处红光发射截面分别为1.63×10^(-20)和3.39×10^(-20)cm^(2),相应荧光半峰全宽和荧光寿命分别为4.50 nm和42.8μs,光谱参数与0.6%Pr∶Ca_(x)Sr_(1-x)F_(2)(x=0,0.3,0.5,0.7,1.0)混晶相比有显著的提升。结果表明,0.6%Pr,5%Y∶Ca_(0.5)Sr_(0.5)F_(2)晶体具有极大的潜力作为新型Pr^(3+)掺杂宽带激光材料的增益介质。

痕量La杂质对CaF_(2)晶体γ辐照诱导色心光谱特性的影响

氟化钙晶体的抗γ射线辐照性能是其在太空应用的关键性能之一。本文报道了痕量La杂质对氟化钙晶体γ辐照诱导色心的影响。主要采用吸收光谱、电子顺磁共振(EPR)等手段对辐照前后存在不同痕量La杂质的氟化钙晶体进行研究。结果表明,辐照后的氟化钙晶体产生多个色心吸收带,且吸收带的吸收系数随辐照剂量和La杂质浓度增加而增加。EPR证实这种吸收带的形成是由氟化钙晶体中F心引起的,而La^(3+)的存在影响氟化钙晶体F心的稳定性和光谱位置,本文提出了La^(3+)与氟化钙晶体中F心存在的可能机制。

激光加热基座法单晶光纤生长技术

单晶光纤是指具有光学纤维形态的单晶体,其同时保持了玻璃光纤的形态优势以及体块单晶优异的物理和化学性能,为高功率激光应用中替代传统玻璃光纤提供了一种思路。随着单晶光纤在材料种类及应用方向的不断拓展,单晶光纤在辐射探测、高温传感等领域也具有潜在的应用前景。本文在介绍单晶光纤应用背景的基础上,对国内外激光加热基座法单晶光纤生长技术进行了总结,详细讨论了单晶光纤生长过程中存在的问题及其改进方案,最后对单晶光纤未来的发展方向进行了展望。

凝结时空精华,铸就序构材料,力促大尺寸功能晶体新发展

中国科学技术协会发布的2021年重大科学问题、工程技术难题和产业技术问题,将“如何突破大尺寸晶体材料的制备理论和技术”列为首要问题,位居十个对科学发展具有导向作用的前沿科学问题之首。这不仅对于进一步激发功能晶体材料领域研究人员的好奇心和自由探索热情,引领科技创新趋势和科研攻关方向,服务国家科技创新发展具有重要意义,而且将引导功能晶体材料领域广大科技工作者围绕问题开展原创性、引领性的科技攻关,为加快建设科技强国作出更大贡献,以优异成绩丰富中国式现代化内涵。大尺寸晶体材料在矿物学领域自然天成,常常令材料科技工作者感到震惊。例如,在所有已获认证的晶体中,最大尺寸的晶体是来自马达加斯加共和国的绿柱石,长18 m,直径3.5 m,体积约为143 m^(3),质量约为380 t。追溯矿物的形成过程,人们不难发现形成大尺寸晶体在时空上的基本要求是时间长、空间大。因此,道法自然,生长大尺寸功能材料装备的研制与晶体生长动力学研究是两个关键自由度。由于晶体生长动力学与热力学互为函数,晶体生长的宏观行为不但在多尺度水平上受到结晶学结构对称性、组成元素间键合行为、晶体缺陷等多种物理化学因素制约,而且在多层次上受到生长装备塑造的生长环境的影响。随着数值模拟计算、SolidWorks和COMSOL多物理场仿真软件,以及结晶固液界面形态可视化技术、装备自动化升级和多种原位检测技术的广泛应用,可利用电子背散射衍射和中子衍射等检测手段,从多维度、多尺度表征晶体的色心、局域配位结构、位错和晶界缺陷。开展晶体生长动力学与热力学研究可以依赖越来越丰富的精确数据。基于对“零缺陷”功能晶体的发展需求,大尺寸人工晶体总体上呈现从传统的单温区向多温区、传统的单加热体向多加热体耦合方向发展,更多深入系统的研究成果将会越来越振奋人心。

氟化钙晶体的生长和应用研究

CaF2晶体作为一种传统晶体材料,应用十分广泛。文中综合介绍了CaF2晶体在深紫外光刻机的光学元件、激光晶体和被动Q开关三个领域的应用现状及趋势,归总了CaF2晶体具有的优异性能,阐述了CaF2晶体与深紫外准分子激光之间的作用,晶体结构对激光性能的影响,晶体生长和加工等诸多方面的研究进展。

CaF_2晶体的生长与光学性能

采用导向温度梯度法(TGT)生长CaF2晶体,建立了生长炉内的垂直温度梯度场。研究表明影响晶体质量及光学性能的主要因素包括坩埚材料、温度场、生长程序及原料纯度等。从大量的实验中总结出TGT法生长高质量CaF2晶体的生长条件如下:石墨坩埚;轴向梯度≤2℃/mm;生长降温速率1.5～2.5℃/h;冷却速率≤40℃/h。

氟化钙晶体生长的研究进展

随着深紫外光刻技术的发展,透光范围宽、透过率高的CaF_2晶体成了人们关注的焦点,其尺寸和质量得到了不断的提高。结合CaF_2的基本性质,综述了CaF_2晶体的主要生长方法及存在的问题。从原料的纯化处理到晶体的光学加工,归纳总结了提高紫外级CaF_2晶体的尺寸、质量和产率的有效措施。