Yb∶CaGdAlO_(4)晶体及其超快激光技术研究进展

Yb∶CaGdAlO_(4)(简写为Yb∶CALGO)晶体具有部分无序的结构、优秀的热学和光谱性质、吸收发射带宽,适合采用商用高功率InGaAs二极管泵浦以实现高功率超快激光运转,其较高的非线性折射率系数有利于对锁模激光器的优化。该晶体还具有能级结构简单、本征量子缺陷低、辐射量子效率高等优点,是近年来新一代紧凑型、高效率、低成本激光二极管(LD)泵浦飞秒激光增益介质。本文简要介绍Yb∶CALGO的晶体结构、晶体生长、缺陷分析、热学性质和光谱性质等,并综合国内外学者近期的一些研究成果,重点综述了Yb∶CALGO晶体在半导体可饱和吸收镜、克尔透镜锁模的超快激光器及再生放大器超快激光技术中的最新研究进展。

Yb∶YAl_3(BO_3)_4 晶体形貌与生长速度的关系

观察测量了不同生长速度 (相应于不同降温速度 )自发成核生长的Yb∶YAl3(BO3) 4 晶体形貌。粒度较大 ( >2mm)的晶体不管降温速度快慢形态都很简单 ,只发育六方柱 { 112 0 }和菱面体 { 10 11} ;粒度较小 ( <2mm)的晶体形态随降温速度增快而变复杂 ,发育一些罕见的高指数晶面。说明在生长速度较快的条件下 ,在晶体生长早期 ,一些高能面发育 ,在晶体生长后期已尖灭了 ,晶体生长的大部分时间是在低能面 { 112 0 }和 { 10 11}上进行的。对比了不同生长条件下晶面的粗糙度 ,随着降温速度的增快 ,六方柱面 { 112 0 }和菱面体面 { 10 11}由光滑变粗糙 ,顶面 { 0 0 0 1}永远是粗糙的。从晶体结构上定性地探讨了 3种晶面的杰克逊因子α及生长机理。

Yb:GdVO_4晶体的缺陷研究

Yb:GdVO4晶体是一种很好的激光材料,但缺陷会对晶体的激光性能产生严重影响,开展对该晶体的缺陷研究有助于提高晶体质量。采用提拉法生长了Φ25mm×20mm,掺杂浓度为2%的Yb:GdVO4晶体;分析了晶体的结构及其对晶体解理性的影响;采用化学腐蚀法,以盐酸、氢氟酸为腐蚀剂,对晶体的主要晶面进行了化学腐蚀实验,通过其腐蚀坑形貌对晶体中的位错和晶界进行了研究;对晶体进行了高分辨X衍射实验,结果表明晶体中存在镶嵌块结构;开裂及散射颗粒也为晶体中较常见缺陷。分析了缺陷的成因并提出了预防措施。

Yb:NaY(WO_4)_2晶体生长及性能研究

本文首次采用提拉法生长出了四方晶系白钨矿结构的Yb :NaY(WO4 ) 2 晶体 ,通过TG DTA分析得到晶体的熔点为 1 2 1 1℃ ,测试了该晶体的红外光谱、拉曼光谱和吸收光谱。结果表明 ,该晶体在 84 8nm、96 8nm附近有较强、较宽的吸收峰 ,适合于LD泵浦。

Yb∶ZnWO_4激光晶体的光谱特征

采用Czochralsk i法生长出光学质量较高的Yb∶ZnWO4单晶,通过偏振吸收光谱、荧光光谱的测量计算出其吸收截面为3.0×10-20cm2、发射截面为2.0×10-20cm2和荧光寿命为1.15m s,并推导Yb3+的Stark分裂能级。实验表明,Yb∶ZnWO4在近红外972nm处有强吸收峰,发射光谱是从914nm到1055nm的宽带,荧光寿命长,是一种新型LD抽运的可调谐激光晶体。

Er/Yb∶KY(WO_4)_2晶体的各向吸收光谱和上转换发光特性

测试了Er/Yb∶KY(WO4)2晶体在室温下3个轴Ng,Np,Nm方向上的吸收光谱,分析比较光谱特性,并计算出各能级跃迁的吸收截面,其中沿Np轴方向有最强的吸收和较大的吸收截面,这有利于激光上能级的粒子数堆积,增大跃迁几率,加强荧光输出。由于掺入Yb3+离子,晶体在980 nm附近有很强的吸收和较大的半峰宽。该晶体在980 nm激光泵浦下有上转换绿光和红光,3个晶轴Np,Ng,Nm轴方向的上转换荧光,波峰位置相差甚微,强弱区别明显,且呈现的各向异性,其中Np方向最强。

提拉法生长的5at% Yb∶GdTaO_4晶体的结构和光谱性能分析

使用提拉法成功生长出了尺寸为25 mm×50 mm的5at%Yb∶GdTaO4晶体。通过X射线衍射确定了晶体的结构,并拟合得到了晶体的结构参数,分析了GdTaO4晶体容易产生解理和开裂的原因。测量了它的吸收光谱以及低温和常温的光致发光光谱,计算得到了5at%Yb∶GdTaO4晶体吸收截面和受激发射截面,并综合评估了晶体的激光性能。结果表明:5at%Yb∶GdTaO4晶体是非常有希望实现全固态超短脉冲的工作物质。

不同掺杂浓度Yb^(3+):YAl_3(BO_3)_4晶体光谱研究

采用顶部籽晶法生长了不同浓度Yb3+:YA l3(BO3)4(Yb:YAB)晶体,X射线粉末衍射(XRD)结果表明晶体的结构与YAB相同。研究了室温下不同掺杂浓度Yb:YAB晶体的偏振吸收光谱,以及块状的偏振荧光谱和粉末的非偏振荧光光谱,通过对不同浓度掺杂Yb:YAB晶体粉末的非偏振荧光谱的分析,实验结果表明:随着Yb3+离子掺杂浓度的增加,辐射陷阱效应对荧光谱的影响越来越严重;因此,提出了Yb:YAB晶体中荧光谱的重心波长移动与Yb3+离子掺杂浓度之间的经验关系来定量分析Yb3+离子掺杂浓度变化对辐射陷阱的影响。并且比较了不同浓度Yb:YAB晶体的光谱参数,结果表明高浓度Yb:YAB晶体是一种潜在的微片和自倍频激光材料。

Yb:KY(WO_4)_2晶体生长及缺陷分析

采用顶部籽晶提拉法(TSSG)从助溶剂K2W2O7中生长出尺寸为25mm×21mm×18mm的Yb:KY(WO4)2激光晶体。对原料进行了预烧,有效地抑制了原料的挥发。采用XRD,热重-差热分析(TG-DTA)及红外光谱对样品进行了表征。实验表明所生长的晶体为β-Yb:KYW。用偏光显微镜对晶体生长条纹、生长丘、生长台阶和包裹物等缺陷进行了观察,认为它们形成的原因是晶体生长工艺不稳定,温度梯度过大,拉速和降温速率过快等。

Yb_(0.03)Y_(0.19)Gd_(0.78)VO_4晶体的生长和性能

液相合成了Yb∶YGdVO4多晶料,采用中频感应加热Czochralski法生长了Yb0.03Y0.19Gd0.78VO4晶体。用浮力法测定其密度为5.29g/cm3,X射线粉末衍射分析表明它的结构与YVO4和GdVO4的晶体结构相同,并计算出了它的晶胞参数为a0=b0=0.7191nm,c0=0.6329nm。用激光脉冲法测量了晶体的热扩散系数,比较了晶体a轴和c轴的热扩散系数随温度的变化关系。实验表明Yb0.03Y0.19Gd0.78VO4晶体有希望适合作为LD泵浦的激光晶体材料。

Yb_(0.05):Gd_(0.20)Y_(0.75)Al_3(BO_3)_4和Yb_(0.05):Y_(0.95)Al_3(BO_3)_4晶体的生长和性质研究

采用助熔剂法生长Yb0.05:Gd0.20Y0.75Al3(BO3)4(Yb:GdYAB)和Yb0.05:Y0.95Al3(BO3)4(Yb:YAB)晶体。比较这两种晶体的室温吸收光谱、荧光光谱、荧光寿命及热膨胀、比热等热学性质。结果表明,Yb0.05:Gd0.20Y0.75Al3(BO3)4晶体是一种优秀的激光自倍频晶体,可以实现自倍频激光输出,并且具有宽的可调谐范围。

Yb:YPO_4晶体的生长及光谱表征

随着激光技术的发展,小型、稳定、高效的微晶激光器得到了人们的日益关注[1]。由于高浓度掺杂激活离子[2],稀土正磷酸盐（REPO4）晶体成为微晶激光器基质材料之一,尤其是四方磷钇矿结构的磷酸钇（YPO4）晶体被学者广泛研究。Makhov V等[3]用紫外光激发Nd：YPO4晶体,在9-300K温度下,获得的荧光光谱均在189nm处有带宽较宽的发射峰。王丹等[4]测试了（Y,Tb）PO4晶体的荧光光谱,

低掺磷对Yb:YVO_4晶体性能影响的研究(英文)

采用提拉法生长出Yb:YPxV1-xO4(X=0.02,0.06,0.10)晶体。XRD测试表明晶体保持了四方锆石型结构,晶胞参数随着x的增大逐渐减小。ICP发射光谱分析显示P5 +的分凝系数为1,Yb3 +的分凝系数随着x的增大逐渐减小。吸收系数和吸收截面随着P含量的加大出现先增大后减小的变化。晶体的拉曼光谱表现出双声子过程的特征,随x的增加拉曼频移峰向高频率方向移动,线宽随之增宽。

Tm,Yb:NaGd(WO_4)_2激光晶体生长及光谱性能

采用中频感应提拉法,生长铥镱共掺钨酸钆钠[Tm,Yb:Na Gd(WO_4)_2,Tm,Yb:NGW]激光晶体;讨论了Tm,Yb:Na Gd(WO_4)_2晶体生长工艺参数,获得了合适的晶体生长工艺参数:拉速1~2mm/h,转速20~22r/min,降温速率10℃/h。研究了Tm,Yb:NaGd(WO_4)_2晶体的荧光光谱。结果表明,在980nm激光的激发下,该晶体在1031mm、1772nm附近获得了较强的荧光发射,分别对应于Yb3+离子的2F5/2→2F7/2能级跃迁以及Tm3+离子的3F4→3H6能级跃迁,1772nm处的半高宽为72nm左右。

光学功能晶体K_5Bi(MoO_4)_4:Yb^(3+)的光谱及晶格结构研究

基于完全对角化方法和重叠模型,计算了在K5Bi(MoO4)4∶Yb3+晶体中掺杂Yb3+的晶格结构和光谱,在计算中,考虑了中心阳离子与配体的键长和键角变化的贡献,计算结果与实验之值符合很好。结果表明:以Yb3+为中心离子的晶格结构,将沿三方对称轴向下移动了0.035 nm的距离,在上三方晶格发生伸长畸变和在下三方晶格发生压缩畸变。

双掺Er^(3+)/Yb^(3+)∶Sr_3La_2(BO_3)_4晶体的生长与光谱特性

采用提拉法生长了尺寸为20mm×30mm的Er3+/Yb3+∶Sr3La2(BO3)4晶体,研究了Er3+/Yb3+∶Sr3La2(BO3)4晶体的吸收光谱和荧光光谱。根据Judd-Ofelt理论分析并计算了辐射跃迁几率、辐射寿命、荧光分支比等光谱参数,获得的唯象参数为:Ω2=15.59×10-20cm2,Ω4=2.25×10-20cm2,Ω6=1.49×10-20cm2。在Er3+/Yb3+∶Sr3La2(BO3)4晶体中Er3+在1533nm处发射跃迁截面为7.88×10-21cm2,Er3+的4I13/2→4I15/2能级跃迁的荧光寿命和辐射寿命分别为0.728ms和4.24ms,结果表明Yb3+对Er3+有敏化作用,提高了对泵浦光的吸收能力,Er3+/Yb3+∶Sr3La2(BO3)4晶体可望作为1.55μm波段的一种有潜力的激光材料。

Mn^(2+)掺杂NaFY_4:Yb,Er晶体的形貌及发光性能研究

通过乙醇和油酸作为混合溶剂的溶剂热法合成了NaYF4:Yb,Er晶体。采用X射线衍射仪(XRD),场发射扫描电镜(FESEM)以及光致发光检测(980 nm激光源)和荧光光谱测试(Hitachi F-4500),表征了Mn2+离子掺杂量对NaYF4:Yb,Er晶体的显微结构、形貌和发光性能的影响。结果表明:少量5 mol%Mn2+离子的掺入不会改变NaYF4:Yb,Er晶体的物相,当Mn2+离子的掺杂量增大到10 mol%～30 mol%,样品出现NaMn3F10相,形貌也发生转变,从纳米棒变为纳米片。Mn2+离子的掺入,使得NaYF4:Yb,Er晶体的上转换荧光峰从在510 nm～539 nm和539nm～570 nm这两个区间转换为635 nm～690 nm区间内,当掺杂浓度达到30 mol%时,上转换荧光峰全部转变为635 nm～690 nm区间内。

TPPO辅助配位形成的3d-4f氰基桥连YbFe和YbCo配合物的合成及单分子磁性对比研究

近年来,越来越多的单分子磁体(SMMs)体系被探索出来,尤其关于DyⅢ、HoⅢ、ErⅢ等稀土离子组装而成的SMMs的研究取得了阶段性的进展,但目前对YbⅢ的系统性和比较性的研究较少.基于此,为探究YbⅢ配合物的组成和结构对磁弛豫性能的影响,本研究合成并表征了两种氰基桥连3d-4f一维链状配合物{[Yb(TPPO)4][Fe(CN)6]}(H2O)(简写为1YbFe,其中TPPO为三-(N,N-四亚甲基)磷酰胺)和{[Yb(TPPO)4][Co(CN)6]}(H2O)(简写为2YbCo).粉末X线衍射表明两种化合物均有较高的纯度,单晶X射线衍射结果显示两种化合物局部配位几何结构均为八面体(Oh)构型.磁性研究证明零场下配合物1YbFe和2YbCo存在量子隧穿(QTM)效应,交流磁化率不表现出频率依赖性.在外加2 kOe直流场下,QTM效应被抑制.当温度降低至7 K以下时,化合物1YbFe的交流磁化率虚部χ″表现出明显的频率依赖性,在f=1000 Hz下,在温度为3 K处出现峰值.化合物2YbCo的虚部χ″在温度为4 K(f=1000 Hz)和3 K(f=100 Hz)处出现易于分辨的峰值,也表现出明显的频率依赖性.经对比研究表明,直流场诱导产生的磁弛豫现象主要来源于稀土YbⅢ离子.在相同交流场频率下,化合物2YbCo的虚部峰值温度高于1YbFe,应归因于抗磁性CoⅢ取代顺磁性[FeⅢ]LS时减弱了对稀土YbⅢ离子的横向涨落场.

Er,Yb:KGd(WO_4)_2激光晶体的生长

采用顶部籽晶熔盐法,以K2WO4为助熔剂生长出铒、镱共掺钨酸钆钾[Er,Yb:KGd(WO4)2简称Er,Yb:KGW]激光晶体。XRD分析结果表明晶体为低温相Er,Yb:KGW晶体,即β-Er,Yb:KGW晶体。通过差热分析测量,确定其相变温度和熔点分别为1020℃和1080℃。测量了晶体190-2000nm的室温透过光谱,结果表明除980nm的吸收谱带是Er3+离子和Yb3+离子的共同谱带之外,其余均属于Er3+离子。

Yb^(3+)∶LiYF_4激光晶体的生长与光谱性能

报道了氟化物激光晶体Yb3+∶LiYF4的单晶生长与光谱性能。按照n(LiF)∶n(YF3)∶n(YbF3)=51.5∶47.5∶1.0制备配合料,经干燥HF气氛下的固相烧结合成制备出无水Yb3+∶LiYF4多晶料;采用非真空密闭条件下的坩埚下降法成功生长出系列12 mm尺寸的透明完整Yb3+∶LiYF4单晶。采用化学分析和光谱测量表征了所生长单晶的掺杂浓度和光谱性能,结果表明,Yb3+离子已成功掺杂进入基质晶体,其有效分凝系数估算为0.455;此单晶在较宽波长范围内具有良好光学透过性,在896 nm波长激发光作用下,该单晶具有930~1 030 nm波长范围的荧光发射,其荧光衰减寿命为1 888μs。