掺Sm3+KTP晶体的生长、性能研究及激光诱导KTP玻璃微晶的探索

论文摘要

磷酸钛氧钾（KTiOPO4或KTP）晶体是一种性能优良的非线性光学晶体材料,被誉为非线性光学晶体中的“全能冠军”,作为1064-532nm激光倍频的晶体材料,被广泛应用于中小功率Nd:YAG和Nd:YVO4激光器,此外,KTP晶体也常用于制作光学参量振荡、混频和光学波导等元器件。KTP晶体具有非常大的非线性光学系数,热导率高,失配度小及小的走离角,不潮解,化学机械性能稳定。有关KTP晶体生长工艺的研究也已极为成熟,但其在实际应用中仍存在诸多缺陷。其中,C向电导率较高限制其在电光方面的应用的问题较为突出,科学家对于影响KTP晶体电导率的因素做了大量研究,对高温溶液法生长的KTP晶体电导率较高的原因做出了解释,指出KTP晶体电导率之所以高是因为晶体在高温溶液生长过程中造成了02-的缺失从而导致了K+离子的空位,进一步导致高电导率的产生,实验表明高温溶液法生长的KTP晶体的电导率比水热法生长KTP晶体电导率高出2-3个数量级。科学家通过大量实验来降低KTP晶体电导率,结果表明掺杂是降低KTP晶体电导率的一种重要方式。对于KTP晶体的掺杂工作可谓是不计其数,但是在稀土掺杂领域所做工作相对较少,稀土元素对于KTP晶体电导率的降低是否有所帮助,其在影响电导率的同时对KTP晶体的其它性质的影响有何规律,需要展开进一步的工作。其次,人类社会发展对功能器件微型化的要求也是在与日俱增的,而玻璃的结晶化对于这一要求的满足是必不可少的。玻璃通常具有高透明度、化学性质稳定以及容易铸造成型的特点,这使它在光通信和光信息处理领域可以作为一个完整的光无源器件。而结晶化的玻璃又具有了晶体通常具有一些非线性光学性质。结晶化的玻璃可用作激光基质、可调波导、可调光纤的潜力材料。而玻璃由于其长程无序、短程有序的原子排布方式,引起的热力学上的亚稳态结构,提供了某些玻璃具有向稳态的晶体结构转变的可能。这些优良的特性,使人们对在玻璃内诱导结晶的工作产生了浓厚的兴趣。然而,寻找何种手段,对那些与晶体具有相同化学组成玻璃材料进行微米或纳米尺度的加工,使材料具有晶体的结构和性质,从而促使晶体在微观尺寸得到广泛的应用,适应科技发展对光学器件微型化发展的要求,则成为诱导玻璃结晶这项工作的重中之重。激光作为20世纪的新能源,具有能量密度大的特点,因此在实现玻璃结晶的过程中被看做是最为优先使用的手段。本文对于KTP晶体的研究包括两方面内容：1.用高温溶液法生长掺Sm的KTP晶体,并分析、研究掺Sm对于KTP晶体性质的影响。本文采用高温溶液缓慢降温的方式进行了Sm3+掺杂的KTP晶体生长实验,得到了KTP晶体,按要求对晶体定向切割加工,在交流条件下对晶体的电导率进行了测定,实验结果表明Sm3+的引入有助于降低KTP晶体的电导率；同时对Sm:KTP晶体的透过光谱及倍频性质进行了测定,结果表明Sm3+对KTP晶体的非线性光学性质没有存在明显影响。2.制备KTP玻璃,表征玻璃的性质,对于激光诱导KTP玻璃微晶的可行性做出分析。根据生长KTP晶体的配比,经过大量实验,我们获得适合后续试验的玻璃样品,确定了制备KTP玻璃的工艺条件。通过对玻璃进行的玻璃析晶实验,以及掺入Sm3+离子后对其进行的吸收光谱的测试,我们认为选用1064nm的激光辐照玻璃,可以在玻璃内部获得KTP微晶。

论文目录

• 目录
• Table of Contents
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 KTP晶体的结构及性能
• 1.2.1 KTP晶体的结构
• 1.2.2 KTP晶体的性能
• 1.3 激光与激光诱导玻璃基质结晶
• 1.3.1 激光技术
• 1.3.2 晶体结构与玻璃结构
• 1.3.3 激光诱导玻璃材料结晶的原理
• 1.4 本论文的主要研究目的及内容
• 1.4.1 研究目的
• 1.4.2 研究内容
• 第二章 熔盐法生长KTP晶体和Sm：KTP晶体
• 2.1 KTP晶体的高温溶液法生长原理
• 2.1.1 KTP晶体生长中的相关体系
• 2.1.2 KTP晶体的生长机制
• 2.2 掺质离子的选择
• 2.2.1 高温溶液法生长KTP晶体c向电导率高的影响机制
• 2.2.2 低电导率KTP晶体生长的理论依据
• 2.2.3 选择掺质离子
• 2.3 晶体生长
• 2.3.1 生长装置及原料
• 2.3.2 原料配比及合成
• 2.3.3 高温预烧
• 2.3.4 测定溶液饱和点
• 2.3.5 晶转和降温程序的设定
• 2.3.6 晶体生长
• 2.4 生长结果
• 2.4.1 生长的晶体
• 2.4.2 籽晶对KTP晶体的影响
• 2.4.3 降温速度对KTP晶体的影响
• 2.4.4 其它因素的影响
• 2.5 本章小结
• 第三章 电导率及其他性质的测定
• 3.1 晶体掺质情况的分析
• 3.1.1 样品制备及测试结果
• 3.1.2 结果分析与讨论
• 3.2 电导率的测定
• 3.2.1 引言
• 3.2.2 样品加工、测试与计算结果
• 3.2.3 分析与讨论
• 3.3 透过率曲线的测定
• 3.3.1 样品制备及测试结果
• 3.3.2 分析与讨论
• 3.4 倍频效应的测定
• 3.4.1 引言
• 3.4.2 样品的制备及倍频效应的测定
• 3.4.3 结果分析与讨论
• 3.5 本章小结
• 第四章 激光诱导KTP基质玻璃微晶
• 4.1 磷酸盐玻璃
• 4.1.1 磷酸盐玻璃的结构特性
• 4.1.2 磷酸盐玻璃的组成
• 4.1.3 磷酸盐玻璃的种类
• 4.2 KTP组分玻璃的制备
• 4.2.1 原料及设备
• 4.2.2 玻璃性质的测试
• 4.2.3 玻璃析晶实验
• 4.3 激光诱导玻璃微晶
• 4.3.1 脉冲激光诱导KTP基质玻璃微晶
• 4.3.2 连续激光诱导KTP基质玻璃微晶
• 4.3.3 实验结果及讨论
• 4.4 实验总结
• 第五章 主要结论及有待进一步开展的工作
• 5.1 主要结论
• 5.2 主要创新点
• 5.3 有待进一步开展的工作
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表