Er掺杂PbF_(2)晶体的局域团簇结构与光谱性能研究

本文采用Bridgman法成功生长了一系列Er∶PbF_(2)晶体。利用基于密度泛函理论的第一性原理计算详细研究了Er^(3+)在PbF_(2)晶体中的团簇效应。首次获得了Er∶PbF_(2)晶体的上转换发光特性(发光强度、颜色变化)与团簇结构之间的关系。研究发现,随着Er^(3+)浓度增加,团簇从单聚体向高阶构型演化,Er^(3+)离子之间的距离先减小后增大,这使得上转换发光中的红色发射强度先增大后减小,红绿发光比也在Er^(3+)浓度高于6.5%(摩尔分数)后逐渐减小,即发光颜色可以从红色调整为黄绿色。该研究证明了稀土离子团簇的结构演化可以调控Er∶PbF_(2)的光谱特性,为多色发光材料的设计提供一种新方法。

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。

LBO晶体对长腔Nd∶GYAP激光器~1μm波段激光性能优化研究

本文研究了一种在激光谐振腔内额外加入晶体以优化谐振腔稳定性的方式,通过在谐振腔内加入折射率合适的晶体有效提高了激光输出性能。本工作搭建了一台Nd^(3+)∶Gd_(0.1)Y_(0.9)AlO_(3)(Nd∶GYAP)晶体激光器,并在激光谐振腔内置入LBO晶体,研究对比了LBO对b切和c切晶体激光性能的影响,以及有无LBO时的激光器性能,包括输出功率、激光波长、光束质量和偏振特性。结果表明,当在激光谐振腔内置入LBO后,光谱和光束质量基本没有发生变化,b切Nd∶GYAP激光器的斜率效率从18.9%提高到24.3%,c切Nd∶GYAP激光器的斜率效率从2.87%提高到10.07%,b切晶体的最大输出功率从0.931 W增加到1.254 W,c切晶体的输出功率从63 mW增加到134 mW。置入LBO后,输出激光的偏振由于旋光现象也会在一定程度上发生偏转。因此,在一些必须延长腔长的情况下,如调谐和锁模操作中,该工作为其提供了一种提高激光器斜率效率和输出功率的方法。

Er掺杂CGA晶体的生长及浓度优化研究

本文采用激光加热基座法生长出一系列掺杂不同Er^(3+)浓度(摩尔分数)的Er∶CaGdAlO 4(Er∶CGA)激光晶体,并对制备出的系列晶体开展详细的光学性能研究。结合J-O理论计算和光学性能表征,通过对比吸收光谱中780~840和955~1020 nm的最大吸收系数、吸收截面、半峰全宽和辐射寿命等,以及荧光发射光谱的发射强度、发射截面和能级荧光寿命等光学性能参数,得到Er^(3+)的最佳掺杂浓度为5%。该工作为获得一种有望用于1.5~1.7μm近红外波段全固态激光器的新型激光增益介质提供了一定的实验基础。

基于新型Nd∶Gd_(0.1)Y_(0.9)AlO_(3)晶体的540 nm倍频绿光激光器

本工作首次在新型Nd∶Gd_(0.1)Y_(0.9)AlO_(3)(Nd∶GYAP)晶体上实现了540 nm倍频绿光激光器。Nd∶GYAP晶体产生在1μm波段的基频激光中心波长为1079.4 nm,在此基础上利用LBO晶体产生的倍频绿色激光的中心波长为539.4 nm,阈值为46 mW,最大输出功率为65 mW。这一激光系统产生的约为540 nm的绿色激光相较于传统Nd离子掺杂的晶体1064 nm激光倍频而来的532 nm绿色激光,可以有效地避开Nd^(3+)位于530 nm附近的吸收峰。因此,具有更长波长、发射峰位于约540 nm处的绿色激光器可以使激光输出更有效,并扩展绿色激光器的应用。

基于石墨烯可饱和吸收体的Er∶YAG被动调Q激光器

本文研究了一种采用氙灯侧泵方式,并基于石墨烯可饱和吸收体的Er∶YAG被动调Q激光器。首先成功将石墨烯转移至Al_(2)O_(3)衬底制备得到石墨烯可饱和吸收体,并对其进行了形貌、结构及化学状态等性能表征。此外,对基于石墨烯可饱和吸收体的Er∶YAG被动调Q激光特性进行了研究,结果表明单脉冲能量从0.4 mJ增加至7 mJ,输出激光单脉冲宽度从761.2 ns下降至510 ns,最大峰值功率为13.7 kW。激光中心波长位于2935和2945 nm,且主波长在2935 nm处对应的半峰全宽(FWHM)为1.535 nm。沿x和y方向的光束质量因子分别为4.45和5.76。实验结果表明,该研究为推进更低成本、谐振腔设计简单且紧凑的2.94μm波段Er∶YAG激光器的发展提供了有效的参考依据。

新型中红外激光晶体Er^(3+)/Ho^(3+)/Eu^(3+)∶PbF_(2)的生长和性能

采用垂直布里奇曼法成功生长了Er^(3+)/Ho^(3+)/Eu^(3+)三掺杂PbF_(2)的中红外激光晶体。该晶体在980 nm泵浦下,首次获得了从2600~3200 nm的宽带中红外发光,其半高宽(FWHM)为300 nm,这是Er^(3+)的2.7μm发射峰(2600~2950 nm)和Ho^(3+)的2.9μm发射峰(2800~3200 nm)叠加的结果。此外,失活离子Eu^(3+)的引入可以有效克服Er^(3+)和Ho^(3+)离子的自终止瓶颈效应。研究发现,与Er^(3+)/Ho^(3+)∶PbF_(2)晶体相比,Er^(3+)/Ho^(3+)/Eu^(3+)∶PbF_(2)晶体具有更高的荧光分支比,在Er^(3+):^(4)I_(11/2)→^(4)I_(13/2)跃迁为18.7%和Ho^(3+):^(5)I_(6)→^(5)I_(7)跃迁为18.0%;以及有更大的发射截面,在2745 nm时为0.621×10^(-20) cm^(2),在2905 nm时为0.728×10^(-20) cm^(2)。这些有利的光谱特性表明,Er^(3+)/Ho^(3+)/Eu^(3+)∶PbF_(2)晶体在商用980 nm激光二极管泵浦下,可能是2.6~3.2μm中红外激光器的一种有前景的材料。

可见光激光晶体Sm^(3+)∶CaDyAlO_(4)的光学性能

采用提拉法成功地生长了Sm^(3+)掺杂CaDyAlO_(4)晶体,并对其可见光光学性能进行研究,利用Judd‑Ofelt理论,得到强度参数、自发辐射概率及荧光分支比等重要的光谱性能参数。该晶体在353 nm处吸收峰最强,半高宽(FWHM)为13 nm,吸收截面为1.11×10^(-20) cm^(2);在353 nm激发下,获得了500~650 nm的超宽带橙黄光发射,Dy^(3+)离子和Sm^(3+)离子的主要发射峰分别位于570 nm和620 nm处,发射截面分别为4.15×10^(-20) cm^(2)和4.03×10^(-20) cm^(2)。上述结果表明,Sm^(3+)∶CaDyAlO_(4)晶体可能是500~650 nm橙黄色调谐激光器的一种有前景的增益材料。

基于锑烯纳米片的被动调Q激光器

为了探索二维材料作为被动调Q激光器的可饱和吸收体的更多可能性,利用预研磨液相剥离法(LPE)制备出锑烯纳米片,并借助拉曼光谱、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、UV-Vis-NIR分光光度计对样品的物相组成、微观结构及吸收性能进行表征。将锑烯纳米片作为可饱和吸收体首次在1.3μm发射波长的Nd∶GYAP全固态激光器实现被动调Q,其最短脉冲宽度为589 ns,重复频率为424 kHz,峰值功率为1.14 W,平均输出功率为284 mW,最大单脉冲能量为669.43 nJ。实验证明了锑烯纳米片具有在近红外区域作为全固态调Q激光器的可饱和吸收体的潜力。