Er：YbVO4的结构与物性机理研究

论文摘要

LD泵浦的固体激光器集二极管激光器和固体激光器的优点于一身，并弥补了各自的不足，使得LD泵浦的全固态激光器（DPSSL）极大地优于传统灯泵固体激光器和二极管激光器本身。DPSSL在材料加工、制导、雷达技术、医学、光通讯、激光显示和激光核聚变等方面有重要的应用。对DPSSL，激光工作物质是全固态激光器的重要组成部分，决定着激光器的性能。钒酸盐系列晶体就是其中的性能优良的激光工作物质。由于铒（Er）离子的1.5μm附近的中红外发射光保密性好和对人眼安全，它在光信息、光通讯、医药卫生和国防军事上都有很大的潜在应用。Yb3+离子有非常简单的能级结构（一个激发态），能隙约为10000cm-1，非常适合于976nm左右的LD泵浦（已商品化了），并且其对Er3+离子的敏化效率非常高，从而可以大大降低Er离子的掺杂浓度，以有效减少Er3+离子对1.5μm的再吸收和避免浓度猝灭效应。所以我们采用提拉法生长了Er∶YbVO4晶体，Er∶YbVO4晶体具有吸收带宽、热导率高等特点，可应用于激光二极发生管来产生高功率的激光。本论文主要进行了以下几方面的工作：一、采用提拉法生长了YbVO4晶体和Er∶YbVO4晶体，YbVO4晶体与Er∶YbVO4晶体都属于锆石类晶体，点群为4／mmm，空间群为I41／amd。二、用空间群理论分析了YbVO4晶体和Er∶YbVO4晶体的晶格振动模，YbVO4晶体和Er∶YbVO4晶体具有相同的结构，其物理学单胞中含有四个分子式，共有24个原子，有72个基本晶格振动模式。晶体的简正振动模式的对称性分类为：Γ=5A1g+2A2g+2A1u+7A2u+7B1g+2B2g+2B1u+5B2u+10Eg+10Eu合计共有72个简正模，与实有原子数24对应的运动自由度72相等。由点群4mmm的特征标表可知，1A2u和1Eu为声学模，5A1g，7B1g和282g为活性光学模，10Eg为活性二重简并光学模，其余均为非活性光学模。因此理论上讲，该晶体最多观察到32支活性光学模，即为ΓVib=5A1g+7B1g+2B2g+10Eg在室温下，用在JASCONRS-1000DT显微分光光度计测量了这两种晶体的拉曼光谱。YbVO4晶体的测量结果与理论计算符合较好，而Er∶YbVO4晶体测量的结果与计算的不一样，我们分析了一下原因。三、系统地研究了Er∶YbVO4晶体的热学性质。通过差示扫描量热法测量了Er∶YbVO4晶体比热，在330K时，Er∶YbVO4晶体的比热为0.41Jg-1K-1。采用热膨胀仪在298.15K～900K的温度范围内测量出Er：YbVO4晶体的热膨胀系数主值分别为αa=4.244×10-6／k，αb=4.07834×10-6／k，αc=7.0×10-6／k。结合晶体的结构特点，分析晶体热膨胀的各向异性性质。我们测量了Er∶YbVO4晶体的热扩散率并计算了Er∶YbVO4晶体的热导率。在303.15K时，Er∶YbVO4晶体沿[100]和[001]方向的热扩散系数分别为1.573mm2／s和1.956mm2／s，相应的热导率分别为3.87 W／m·K和4.81W／m·K。讨论了热学性质对Er∶YbVO4晶体的应用所产生的影响。四、将晶体进行定向、切割和抛光后，用于测定室温下晶体的透过谱，偏振和非偏振吸收光谱、荧光光谱，根据Judd-Ofelt理论，拟合出晶体场唯象强度系数Ω，并计算了各能级的辐射跃迁几率AJJ′，振子强度PJJ′，辐射寿命τ，荧光分支比β和发射截面∑等光谱参数；讨论了Er∶YbVO4晶体作为激光材料的可能性。五、Er∶YbVO4晶体在1.5μm附近有着优良的光谱性能。选择优良晶体进行了激光性能的测试。但并没有出激光，而是产生荧光，我们根据Er3+离子的能级给出了解释。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1.1 引言
• §1.2 固体激光器及其工作物质
• §1.3 激光晶体的应用现状和发展前景
• §1.4 本论文的研究工作
• 4晶体和Er:YbVO₄晶体的生长'>第二章 YbVO₄晶体和Er:YbVO₄晶体的生长
• 4晶体生长'>§2.1 YbVO₄晶体生长
• 4晶体的生长'>§2.2 Er:YbVO₄晶体的生长
• 4晶体拉曼光谱研究'>第三章 Er:YbVO₄晶体拉曼光谱研究
• §3-1 引言
• §3-2 激光拉曼散射理论简介
• 3.2.1 激光拉曼散射的经典理论
• 3.2.2 拉曼散射的量子理论
• 3.2.3 选择定则、拉曼活性和退偏度
• 3.2.4 共振拉曼效应
• 3.2.5 电子拉曼光谱
• 3.2.6 非线性激光拉曼效应
• 4晶体基本结构数据和空间群分析'>§3-3 Er:YbVO₄晶体基本结构数据和空间群分析
• 1/amd空间群晶体的群论分析'>3.3.1 I4₁/amd空间群晶体的群论分析
• 3.3.2 样品制备与实验配置
• 3.3.3 实验结果与分析
• 4晶体的热学性能'>第四章 Er:YbVO₄晶体的热学性能
• §4.1 引言
• §4.2 热膨胀系数的测定
• §4.3 比热的测定
• §4.4 晶体的热扩散系数
• §4.5 热导率的计算
• 4晶体的光谱性能研究'>第五章 Er:YbVO₄晶体的光谱性能研究
• §5.1 引言
• 4晶体光谱参数的J-O理论计算'>§5.2 Er:YbVO₄晶体光谱参数的J-O理论计算
• 4晶体的光谱特性'>§5.3 Er:YbVO₄晶体的光谱特性
• 4晶体1.5μm激光器的研究'>第六章 Er:YbVO₄晶体1.5μm激光器的研究
• §6.1 平凹腔型激光器装置设计
• §6.2 实验结果与分析
• 第七章 总结
• §7.1 主要结论
• §7.2 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