| 题名 | 石榴石系列单晶体的生长与键合及其性能研究 |
| 作者 | 王晓丹 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2008 |
| 授予单位 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 |
| 导师 | 徐军 |
| 关键词 | 石榴石晶体 复合晶体 晶体生长 热键合 光谱性能 激光性能 |
| 其他题名 | Study on the growth, bonding and performance of garnet single crystals |
| 中文摘要 | 高功率大能量固体激光器是固体激光器发展的一个重要方向。石榴石晶体由于具备性能稳定、硬度高、光学各向同性和热导率高等优点，能够使激光器在大平均功率下工作，因而是高功率大能量固体激光器首选的基质材料。Yb3+具有不存在激发态吸收、无上转换、可实现高掺杂浓度、量子效率高和荧光寿命长等优点；Tm3+发射的2μm激光在军事、通信、医疗和激光雷达等方面均有重要应用；Nd3+具有泵浦阈值较低，吸收和发射截面较大等优点，因此Yb3+, Tm3+和Nd3+掺杂的石榴石晶体成为高功率大能量固体激光器重要的激光增益介质，对其生长及各种性能的研究尤为重要。高功率大能量固体激光器中的热效应问题严重影响激光输出功率和光束质量。采用热键合的方法制备石榴石复合晶体可以有效的解决激光器的热效应问题，因此，复合晶体的制备和性能研究也成为热门课题之一。 本文系统研究了石榴石系列单晶体的生长、光谱与激光性能，同时制备了石榴石复合晶体并进行了性能表征，取得了一些创新性的成果，主要包括如下几个方面的内容： 第一部分：稀土掺杂石榴石系列单晶体的生长、光谱与激光性能的研究 1．研究不同Yb掺杂浓度的Yb:Y3 Al5O12(YAG)晶体，观察到晶体的吸收光谱、振荡强度、荧光光谱、荧光寿命和拉曼光谱等随Yb掺杂浓度的增加而发生变化的一些现象，结合Yb:YAG晶体中的晶格畸变、自吸收效应和上转换发光行为等作出相应的解释。 2．采用提拉法生长了高质量的Lu3Al5O12(LuAG)，Yb:LuAG，Tm:LuAG和 Nd:LuAG晶体，对其晶胞参数、分凝系数、结晶质量和光谱性能进行了详细的表征。计算了其能级结构和光谱参数，并与相应的Yb:YAG、Tm:YAG、Nd:YAG晶体相比较，突出LuAG基质的优点。 3．研究了石榴石晶体的激光性能，在激光二极管的泵浦下，掺杂浓度为10 at.%的Yb:YAG晶体实现了4.13mW波长为515nm的倍频激光输出；Yb:LuAG, Tm:LuAG, Nd:LuAG晶体分别实现了3.05W, 3.04W, 3.8W的连续激光输出，斜效率分别为41.7%，25.3%，25.7%，在实验过程中均未出现饱和现象。 第二部分：石榴石复合晶体的制备及其性能表征 1. 探索出预键合YAG晶片采用H2SO4:H2O2=1:1的混合溶液，在室温下腐蚀45分钟，这种合适的化学抛光工艺。采用热键合的制备方法，选取不同的工艺参数制备12片Yb:YAG/YAG复合晶体，通过对其键合界面显微观察、透过光谱和界面散射等测试，确定出键合前对表面要进行化学抛光，键合时烧结温度为1550℃，施加压强为113000Pa这种复合晶体合适的制备工艺。 2. 对Yb:YAG/YAG复合晶体进行光学均匀性、力学和激光性能表征，结果表明复合晶体光学均匀性良好，无气泡、空间过渡层等界面缺陷，复合晶体键合质量较好。复合晶体键合面的平均破坏强度为22.765MPa。在激光二极管泵浦下，Yb:YAG/YAG复合晶体实现了1.354W的连续激光输出,斜效率为25.9%。 3. 利用探索出的复合晶体合适的制备工艺，制备出YAG/Yb:YAG/Cr:YAG、 YAG/Nd:YAG/Cr:YAG复合晶体，Yb:YAG ceramic/YAG、Nd:YAG ceramic/YAG陶瓷/晶体复合结构和Ti:Al2O3/Al2O3复合晶体。 |
| 英文摘要 | High power and large energy solid state laser is important for the development of solid state lasers. Due to their merits such as stable performance, big rigidity, optical isotropy and high thermal conductivity, etc., which allow laser devices to work under big average power, garnet crystals are usually the first choice as host materials apllied in high power and large energy solid state laser devices. Yb3+ has many attractive characteristics including no excited state absorption and upconversion loss, high doping concentration, high quantum efficiency and long radiative lifetime of the upper laser level. 2μm laser which emitted by Tm3+ has important applications in military, communication, medical therapy and laser radar. Nd3+ also has many attractive characteristics including low pumping threshold, large absorption and emission cross section. So Yb3+, Tm3+ and Nd3+ doped garnet crystals are important laser-active media for high power and large energy solid state lasers, the study on the crystal growth and performance characterization of garnet crystals is necessary. It is well-known heat effect has bad impact on the laser efficiency and beam quality of high power and large energy solid state lasers, Garnet composite crystals could resolve the heat effect efficiently. As a result, the preparation and performance study of composite crystals have become a hot research topic. |
| 语种 | 中文 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.siom.ac.cn/handle/181231/15218]  |
| 专题 | 上海光学精密机械研究所_学位论文 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 王晓丹. 石榴石系列单晶体的生长与键合及其性能研究[D]. 中国科学院上海光学精密机械研究所. 2008. |
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