掺杂ZnWO4激光晶体的生长与光谱性能研究

论文摘要

激光晶体材料在军事、工业、医疗以及科研领域的应用越来越广泛,在其他领域的应用也将随着技术的发展不断地拓宽。随着科学技术的发展,人们对激光晶体提出了更高的要求,对激光晶体的研究也主要集中在增宽晶体的吸收线、增大晶体的发射界面、增长荧光发射寿命以及提高激光功率等方面。ZnWO4晶体易于生长和获得光学质量的单晶,并且其具有化学性能稳定、抗辐射和强光损伤能力强等优点,比较适合作为激光晶体的基质材料进行研究。本论文通过大量实验并结合理论分析,设计了合适的温场,适宜的提拉速度和旋转速度等晶体生长的工艺参数,采用提拉法生长出一系列掺杂ZnWO4激光晶体,包括Eu:ZnWO4、Nd:ZnWO4和Tm:ZnWO4系列;并对晶体进行了定向、切割、抛光,加工成晶体样品。运用X射线衍射光谱对所生长的ZnWO4激光晶体进行晶体结构表征,测试结果表明掺杂ZnWO4激光晶体的晶格结构没有发生改变;Ce3+、Nd3+和Eu3+进入晶格后将会取代Zn2+形成缺陷[RZn]+,锌空位[VZn]2-作为电荷补偿,于是在晶体内部形成了缺陷集团{2[RZn]+―[VZn]2-}。根据掺杂Ce3+离子的ZnWO4晶体的紫外可见吸收光谱图中可发现Ce3+离子的5d→4f的跃迁所产生的吸收峰宽而且很强,吸收截面大,如Ce:Eu:ZnWO4（0.3mol%）晶体的吸收截面达到1.34×10-18cm2,这说明Ce3+离子可以非常有效的吸收泵浦光能量,这满足了敏化离子高泵浦利用效率的要求。对J-O理论进行了详细的介绍;根据J-O理论以及吸收光谱图,对Nd:ZnWO4激光晶体中的Nd3+离子进行了计算分析,并得到了Nd:ZnWO4激光晶体中Nd3+离子的三个强度参量:?2=6.8202×10-20cm2,?4=0.4633×10-20cm2,?6=0.4435×10-20cm2,这三个强度参量对Nd3+离子的其他光谱性能有很重要的作用。根据Ce:Nd:ZnWO4晶体的Ce3+离子以及Nd3+离子的荧光光谱,对晶体中Ce3+离子对Nd3+离子Eu3+离子的敏化作用进行了研究,研究结果发现Ce3+离子与Nd3+离子以及Eu3+离子之间存在较明显的能量转移,使Nd3+离子在中心位于474nm、572nm的上转换荧光以及Eu3+离子在中心位于613nm处的荧光强度明显增强,并根据能级结构对它们之间的能量转移的具体过程进行了解释;研究中还发现Ce3+离子对Nd3+离子的敏化效果比对Eu3+离子的要明显许多,分析原因可能是Ce3+离子的5d能级和Eu3+离子的5D0能级差较大,使能量转移效率不高造成的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 激光晶体的发展和基本特征
• 1.2.1 激光晶体的发展历程
• 1.2.2 激光晶体的基本特征
• 4 激光晶体的国内外研究现状'>1.3 ZNWO₄激光晶体的国内外研究现状
• 1.4 本课题的研究内容及意义
• 4激光晶体的生长及样品制备'>第2章 ZNWO₄激光晶体的生长及样品制备
• 2.1 晶体生长技术
• 2.1.1 低温溶液晶体生长技术
• 2.1.2 助溶剂法晶体生长技术
• 2.1.3 水热法晶体生长技术
• 2.1.4 提拉法晶体生长技术
• 2.1.5 坩埚下降法晶体生长技术
• 2.2 晶体生长工艺参数的设计
• 2.2.1 溶质分凝和组分过冷
• 2.2.2 温度梯度的选择
• 2.2.3 提拉及旋转速度的选择
• 2.3 晶体生长
• 2.3.1 生长装置
• 2.3.2 原料制备
• 2.3.3 吊取籽晶
• 2.3.4 晶体生长过程
• 2.4 晶体加工
• 2.5 本章小结
• 4激光晶体的光谱性能'>第3章 掺杂ZNWO₄激光晶体的光谱性能
• 3.1 晶体的X 射线衍射谱
• 3.2 晶体的吸收光谱
• 4 晶体的吸收光谱'>3.2.1 Tm:ZnWO₄晶体的吸收光谱
• 4 晶体中Ce 离子的吸收光谱'>3.2.2 掺杂ZnWO₄ 晶体中Ce 离子的吸收光谱
• 3.3 晶体的荧光光谱
• 4 晶体的荧光光谱'>3.3.1 Tm:ZnWO₄晶体的荧光光谱
• 4 晶体的荧光光谱'>3.3.2 Ce:Nd:ZnWO₄晶体的荧光光谱
• 4和Ce:Eu:ZnWO₄ 晶体的荧光光谱'>3.3.3 Eu:ZnWO₄和Ce:Eu:ZnWO₄晶体的荧光光谱
• 3.4 本章小结
• 第4章 激光晶体的光谱理论计算分析
• 4.1 稀土离子的晶体场物理基础
• 4.2 晶体场、晶体化学与光谱特性的关系
• 4.2.1 晶体场作用
• 4.2.2 影响晶体场强度的因素
• 4.2.3 基质晶体与光谱参数
• 4.3 J-O 理论与光谱性能计算
• 4.3.1 J-O 理论模型
• 4.3.2 强度参数的确定和发光参数的计算
• 4 晶体的光谱性能计算'>4.3.3 Nd:ZnWO₄晶体的光谱性能计算
• 4.4 本章小结
• 3+的敏化作用研究'>第5章 共掺CE³⁺的敏化作用研究
• 3+离子敏化作用研究简介'>5.1 CE³⁺离子敏化作用研究简介
• 3+对ND:ZNWO₄ 上转换发光的敏化作用'>5.2 CE³⁺对ND:ZNWO₄上转换发光的敏化作用
• 5.2.1 上转换敏化发光机制
• 3+敏化作用的光谱分析'>5.2.2 Ce³⁺敏化作用的光谱分析
• 3+对EU:ZNWO₄ 晶体的敏化作用'>5.3 CE³⁺对EU:ZNWO₄晶体的敏化作用
• 5.4 本章小结
• 结论
• 附录1
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢