Nd:GGG晶体生长与开裂研究

本文采用提拉法(CZ)生长了Nd:GGG晶体,并从理论上讨论了包裹物、提拉速度、晶体转速和降温速率等因素对晶体开裂的影响,最后给出了生长元开裂Nd:GGG晶体的最佳工艺参数:径向温度梯度越小越好,纵向温度梯度在0.5℃/mm,提拉速度2～4mm/h,晶体转速20～40r/min,降温速率不超过20℃/h.通过设计合理而稳定的温场、选择最佳工艺参数及退火处理等方法,较好地解决了Nd:GGG晶体开裂问题.

Nd:GGG晶体光谱特性的研究

采用提拉法生长了Nd:GGG晶体。晶体切割后经过端面抛光,测试了荧光光谱和吸收光谱。荧光光谱测试结果表明晶体的最强的荧光发射峰位于9430cm-1,是Nd3+4F3/2-4I11/2谱项导致的荧光发射。吸收光谱测试结果发现Nd:GGG晶体的最强吸收峰位于808nm,所以该晶体适合于LD泵浦,并且吸收峰强度随掺杂离子浓度的增加而增加。

钕玻璃、Nd:YAG和Nd:GGG热容激光特性比较

考虑固体热容激光器对工作介质的要求,对比分析了掺钕的玻璃、YAG和GGG的多种材料性能。并对三者在激光工作周期内的瞬态温度场及热应力进行了数值模拟。结果表明:在给定的边界及工作条件下,当钕玻璃激光器以热容方式工作,时间为5 s时,介质最高升温超过400 K,最大热致应力为25 MPa,接近其断裂极限的50%。在此条件下进行冷却,当水温为283 K时,需经过约120 s才基本恢复到初始工作状态。而Nd:YAG和Nd:GGG两种介质在相同输入工作条件下,工作时间可达10 s,且温度分布相对平坦,温差和热应力较小,经水冷约30 s可恢复到初始状态。但模拟计算中,发现Nd:YAG在冷却阶段的最大应力达77 MPa,已超过断裂阈值下限值的50%。兼顾冷却时间、材料所能承受的应力及晶体生长尺寸,以及实现100kW的平均功率输出等因素,Nd:GGG晶体是目前三者中比较适合于作为高平均功率、重复率热容方式工作的激光材料。

溶胶-凝胶燃烧法合成Nd:GGG激光陶瓷粉体

采用溶胶-凝胶燃烧法成功合成了Nd:GGG激光陶瓷粉体,讨论了溶胶-凝胶的转化,并对Nd:GGG粉体进行了XRD、TG-DTA、SEM及荧光光谱分析。XRD分析表明1000℃是Nd:GGG粉体合成的最佳温度,并且随着煅烧温度的升高粉体的粒径长大,SEM观察发现在1000℃下粉体粒度均匀,平均粒径为100nm,荧光光谱测试结果表明荧光发射的最强峰位于1061.54nm处,是Nd3+的4F3/24-I11/2谱相导致的荧光发射。

矩形截面Nd：GGG热容激光器热分析

为了研究长方体型Nd:GGG热容激光晶体的热效应,通过对激光晶体工作特点的分析,采用半解析各向异性热分析方法,建立了符合实际工作状态热模型,对长方体型Nd:GGG热容激光晶体进行了热分析,得到了激光晶体抽运阶段和冷却阶段晶体内部温度场计算公式,定量分析了晶体宽度和厚度对温度场的影响。结果表明,当使用输出功率为8100W、脉冲频率500Hz、脉冲宽度0.2ms的LD抽运晶体4s时,抽运面中心最高温升为169.1℃;停止抽运120s时,晶体最高温升下降到0.97%。所得结果为热容激光器的优化设计提供了理论依据。

热容模式下LD阵列泵浦Nd：GGG圆盘的温度场分析

为了研究Nd:GGG激光晶体圆盘在热容运行模式下的温度场分布及变化问题,根据实际情况建立物理模型进行了分析。从热传导微分方程出发,通过格林函数法求得激光器工作、冷却阶段晶体内部温度场的解析解,在一定程度上可以反映温度场的变化情况。数值计算了矩形LD光斑尺寸3 cm,泵浦功率8100 W、脉冲频率500 Hz、脉冲宽度0.2 ms条件下泵浦4s后圆盘的温度场以及变化曲线,得到4s末的最大应力已经达到晶体断裂极限的47%。采用280K、290K的温度分别对圆盘进行背面冷却时,需要60～70s左右的冷却时间;当采用280K对圆盘进行背面和侧面同时冷却时,冷却时间缩短到30s左右。

5英寸Nd:GGG激光晶体的生长

本文介绍采用提拉法,运用上称重自等径技术(ADC)生长5 inch的掺钕钆镓石榴石(Nd:GGG)晶体。通过调整生长工艺参数,优化温场结构,我们成功生长了5 inch的Nd:GGG晶体。晶体外观完整,无宏观缺陷,有望作为激光工作物质用于强固体热容激光器中。此外,我们对晶体的外形和生长界面作了讨论。

溶胶-凝胶法制备Nd:GGG透明陶瓷纳米粉体

溶胶-凝胶法制备出Nd^3＋：Gd3Ga5O12（Nd：GGG）。透明陶瓷纳米粉体。以TG-DTA、红外光谱、XRD、TEM、电子衍射和电子能谱等测试手段，对前驱体及烧成粉体的结构和形貌进行了研究。结果表明，Nd：GGG超细粉体的最佳烧成温度为1000 ℃，粉体样品粒度小、粒径均匀，在70～100nm之间。

LD泵浦激光晶体Nd:GGG原料制备及结构分析

采用共沉淀方法,以金属Ga和Gd2O3为起始原料,以氨水为沉淀剂,制备了GGG多晶。测量了共沉淀方法制备的GGG多晶、固相反应法制备的Nd:GGG多晶以及提拉法生长的GGG、Nd:GGG晶体的X射线衍射谱(XRD),利用图解外推法计算了晶格参数。共沉淀方法制备的GGG多晶原料较固相法制备的Nd:GGG晶格参数小,可能是固相制备过程中Ga组分挥发导致Gd3+取代了Ga3+位以及Nd3+占据了部分的Gd3+位,从而使晶格参数变大。同时就提拉法生长的Nd:GGG晶体和GGG晶体的晶格参数进行比较发现, Nd:GGG晶体的晶格参数较纯GGG晶体的晶格参数大,说明在Nd:GGG晶体中Nd3+占据了部分的Gd3+位。另外,晶体的晶格参数较多晶粉末的晶格参数大,分析认为这可能也是由于Ga组分的挥发导致Gd3+占据了Ga3+位所引起。这些实验结果说明Ga组分挥发在原料制备过程和晶体生长过程中都可能存在,因此应在制备原料和晶体生长等各个环节中考虑Ga组分的挥发。采用液相共沉淀方法制备有利于抑止Ga组分的挥发。

LD双面侧抽运Nd:GGG热容激光晶体热分析

为了研究矩形晶体Nd:GGG受到具有高斯分布激光双侧错位抽运时,激光晶体内部温度场和热形变分布情况,采用以各向异性半解析热分析为基础的方法进行了研究。当用输出功率分别都为300W从Nd:GGG晶体两侧面错位中心抽运时,高斯半径为9.00mm,最高温度出现在前抽运面,晶体内最大温度为309.73℃;分析了激光晶体工作的特点,建立了符合激光晶体的热模型,得出了矩形Nd:GGG激光晶体温度场和热形变场通解表达式。结果表明,当侧面错位抽运长方体Nd:GGG晶体10s时,最大热形变量为28.97μm,最大光程差为13.02μm;停止抽运200s时,晶体最高温升下降到1.01%。该研究结果为LD双侧抽运热容激光器的优化设计提供了理论依据。

大尺寸高浓度掺杂Nd:GGG和Nd:YAG晶体的光谱性质(英文)

由于Nd3+离子半径0.112nm和Y3+离子半径0.101nm相差10.9%,使得Nd3+离子非常难于进入YAG晶体中。我们用温度梯度法生长了大尺寸高浓度(2.8 at%)的Nd:YAG晶体,同时与用提拉法Nd:GGG晶体进行了比较。分析了高浓度掺杂Nd:GGG和Nd:YAG晶体浓度猝灭问题。研究了不同浓度掺杂的猝灭效应。在同样的掺杂浓度下,我们发现它们的猝灭程度不同,其原因是两种晶体中ΔE(m is-)m和ΔE(m i s+)m不同。

不同抽运光分布的Nd:GGG热容激光器介质热应力分析

从固体瞬态热传导微分方程出发并结合弹性力学的基本方程,利用有限元方法对 Nd:GGG 热容激光器介质的瞬态温度和热应力进行了数值模拟。数值模拟并分析了介质端面抽运光为均匀分布和高斯分布两种情况下,介质的温度、应力的瞬态分布。模拟中考虑了由介质的吸收特性导致的介质热沉积功率不均匀分布和介质热容随温度的变化关系。结果表明,抽运光功率一定时,抽运光均匀分布时介质的最高温度较低,温度梯度较小,介质所受热应力较小。

LD抽运Nd∶GGG热容激光器实验研究

报道了激光二极管抽运单片Nd∶GGG热容激光器,实验获得平均输出功率为1.49 kW的激光输出,光-光转换效率为24.1%。同时对介质不同截面内抽运光、温度及温度梯度分布的瞬态三维分布进行了计算模拟。

Nd:GGG晶体的体缺陷研究

本文从宏观和微观上研究了Nd:GGG晶体的体缺陷,发现Nd:GGG晶体的体缺陷主要包括开裂、沉积物、空洞和包裹物等。扫面电镜及能谱分析结果表明,空洞中的物质分别为[Gd(Nd)]4Ga2O9、[Gd(Nd)]3GaO6和[Gd(Nd)]GaO3。包裹物的主要是组分是Ga2O3,是由于晶体生长过程中原料挥发通过固-液界面进入晶体而形成的。

热容模式下片状Nd:GGG光学畸变的模拟和实验研究

基于二极管泵浦的固体热容激光器,采用有限元软件ANSYS模拟了泵浦光高斯分布条件下,圆片状Nd:GGG晶体内部的温度分布,计算并分析了热致折射率梯度和端面形变带来的光学畸变对热容激光器输出激光波前的影响。利用干涉法对介质的光学畸变进行了测量,提取出畸变的轮廓图,计算出等效热焦距,与模拟结果基本相符。结果表明:泵浦光与激光介质形状的不匹配将会使激光介质产生光学畸变,光学畸变的形状与泵浦光的形状密切相关。

柠檬酸-凝胶燃烧法制备Nd:GGG多晶纳米粉

以Ga2O3和Gd2O3为原料,并用一定量的Nd取代Gd,采用柠檬酸作为燃烧剂,凝胶燃烧法合成了Nd:GGG前驱体.对前驱体进行适当处理,采用凝胶燃烧法在1000℃时制备出Nd:GGG超细粉体.通过对粉体样品进行TG-DTA,XRD,TEM和XPS分析,表明所合成的GGG超细粉为立方晶系石榴石结构,粉体样品分散性好、颗粒度小、粒径均匀,粒径在70nm～90nm之间.

Nd:GGG晶体荧光寿命的测试

针对Nd:GGG激光器,介绍了荧光寿命测试原理,设计了低频窄脉宽荧光寿命测试系统。该系统由光源、光路系统、驱动电路和探测系统等几部分组成。利用脉冲取样技术测试了Nd: GGG晶体的荧光寿命约为250μs左右。

Nd:GGG激光晶体在高能固体热容激光器系统技术中的应用

介绍了固体热容激光器的发展现状和未来 ,详细分析了作为固体热容激光器的激光工作物质 -掺钕钆镓石榴石 (Nd :GGG)的结晶学性能、物理光学性能。提出了Nd :GGG晶体将在未来LD泵浦高功率激光器中获得广泛应用。

Nd∶GGG激光晶体的同步辐射X射线白光形貌研究

应用同步辐射X射线白光形貌术,对Nd∶GGG晶体中的缺陷进行了研究,观察到晶体中的主要缺陷是生长条纹和位错,对生长条纹产生的机理和位错的类型进行了分析讨论,生长条纹是由于温度波动引起生长率的起伏产生的,确定晶体中的位错有刃型位错、螺旋位错和混合位错。根据生长条纹和位错的生成机制,提出了一些改进生长工艺的措施和方法,为生长质量更高的晶体提供了参考。

Nd∶GGG晶体荧光寿命的测试及受激发射截面的计算

介绍了荧光寿命的测试原理。设计了荧光寿命测试系统。利用脉冲取样技术测试了Nd∶GGG晶体的荧光寿命,约为250μs。采用英国的荧光光谱仪,在室温条件下,用波长为488nm的Ar离子激光器激发Nd:GGG晶体,获得了Nd:GGG晶体的荧光光谱,计算出的Nd∶GGG晶体的受激发射截面σ(λ)为21.57×10-20cm2。