Zn：Er：LiNbO3晶体的生长及其上转换发光性能的研究

论文摘要

本研究采用提拉法生长了无宏观缺陷、光学均匀性较好的具有不同掺Zn（3、6和7mol%）及掺Er（1.5和3mol%）量组合的Zn:Er:LiNbO3单晶。研究了最佳生长工艺参数。测试了Zn:Er:LiNbO3晶体的紫外-可见吸收光谱,红外透射光谱,上转换稳态发射谱,上转换时间分辨谱,上转换功率曲线及抗光致散射能力。通过紫外-可见吸收光谱和红外吸收光谱的测试研究了Zn:Er:LiNbO3晶体的缺陷结构及Zn2+和Er 3+的占位情况,确定了Zn 2+在Zn:Er:LiNbO3晶体中的阈值浓度。研究结果表明,Zn2+在Zn:Er:LiNbO3晶体中的阈值浓度为6mol%。当掺杂浓度小于阈值浓度时,Zn2+是以取代反位铌缺陷的形式进入晶体的,当掺杂浓度大于阈值浓度时,Zn2+开始进入正常晶格的Li位和Nb位,形成Zn Li + -Zn Nb 3-缺陷基团。而Er 3+则是以取代正常格位的Li +和Nb5+的方式进入晶体,形成铒离子团位束Er Li 2+ -Er Nb2-。研究了Zn 2+和Er 3+的掺杂量对于Zn:Er:LiNbO3晶体绿光波段上转换性能的影响。研究表明,Zn2+和Er 3+掺杂浓度的提高,都使得Zn:Er:LiNbO3的上转换发光强度得到增强。通过对绿光上转换功率曲线的分析,首次发现当Zn2+的掺杂浓度达到阈值浓度时,绿光上转换机制由双光子过程转换为光子雪崩过程。研究了Zn:Er:LiNbO3晶体的抗光损伤性能,分析了Zn2+掺杂浓度对晶体抗光损伤性能的影响,结果表明Zn2+掺杂浓度的提高使晶体抗光损伤性能增强,当Zn的掺杂浓度达到阈值浓度时,晶体的抗光损伤能力提高四倍以上,这对于晶体的上转换发光是有利的。研究表明,Zn（7mol%）:Er（3mol%）:LiNbO3是本系列晶体中上转换发光性能最为优良的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 稀土发光材料简介
• 1.3 上转换发光简介
• 1.3.1 Stokes发光
• 1.3.2 上转换发光
• 1.3.3 提高上转换发光效率的几种途径
• 1.4 基质材料铌酸锂单晶简介
• 3的结构和主要性质'>1.4.1 LiNbO₃的结构和主要性质
• 1.4.2 同成分铌酸锂的本征缺陷结构模型
• 1.4.3 铌酸锂晶体中的非本征缺陷
• 1.5 国内外研究现状
• 1.6 课题研究主要内容
• 第2章 实验材料及实验方法
• 2.1 掺杂元素的选择
• 2.2 晶体的生长
• 2.2.1 原料的配比
• 2.2.2 原料预烧结
• 2.2.3 晶体生长设备装置
• 2.2.4 工艺参数的选择
• 2.2.5 晶体生长过程
• 2.3 晶体的加工
• 2.3.1 晶体的极化
• 2.3.2 晶片加工
• 2.4 性能测试
• 2.4.1 紫外-吸收光谱测试
• 2.4.2 红外光谱测试
• 2.4.3 绿光上转换性能测试
• 2.4.4 抗光损伤能力测试
• 3晶体的缺陷结构分析'>第3章 Zn:Er:LiNbO₃晶体的缺陷结构分析
• 3.1 紫外光谱分析
• 3.1.1 紫外吸收边移动基本原理
• 3.1.2 紫外光谱测试结果及分析
• 3.2 红外光谱分析
• -吸收峰移动基本原理'>3.2.1 OH^-吸收峰移动基本原理
• 3.2.2 红外光谱测试结果及分析
• 3.3 本章小结
• 3晶体的光学性能'>第4章 Zn:Er:LiNbO₃晶体的光学性能
• 3晶体的上转换发射性能'>4.1 Zn:Er:LiNbO₃晶体的上转换发射性能
• 4.1.1 绿光上转换发光基本原理
• 4.1.2 绿光上转换稳态发射谱
• 4.1.3 绿光上转换功率曲线
• 4.1.4 绿光上转换时间分辨谱
• 3晶体的抗光损伤性能'>4.2 Zn:Er:LiNbO₃晶体的抗光损伤性能
• 3晶体的抗光损伤能力测试'>4.2.1 Zn:Er:LiNbO₃晶体的抗光损伤能力测试
• 4.2.2 抗光损伤能力增强原因分析
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢