本文選題：Tm:YGG晶體　切入點：晶體生長　出處：《山東大學》2017年碩士論文

【摘要】：隨著激光技術(shù)的發(fā)展,激光單色性高、相干性高、方向性高以及強度高的優(yōu)勢日益突出,在醫(yī)學、通信、能源和國防等眾多領(lǐng)域的應用越來越廣泛。其中2μμm波段的激光具有在大氣中傳輸衰減小、穿透能力強以及對人眼安全性高等特點,表現(xiàn)出了極其重要的應用價值;而且該波段激光是重要的中遠紅外波段泵浦源,以之泵浦紅外非線性晶體,可實現(xiàn)高效中遠紅外激光輸出,具有重要的應用需求。激光增益介質(zhì)是激光器的材料基礎(chǔ),2 μm波段適用激光材料的研究是本領(lǐng)域的重要方向之一,銩離子(Tm~(3+))3F4→3H6躍遷的受激輻射可實現(xiàn)1.7-2.1 μm波段的激光,摻Tm~(3+)晶體的激光輻射可獲得2 μ激光,相關(guān)研究吸引了廣大科研人員的關(guān)注,探索了眾多Tm~(3+)摻雜的晶體材料,其中Y3Al5012(YAG)晶體具有立方結(jié)構(gòu)、良好的機械性能、光譜與激光性能和優(yōu)良的熱學性質(zhì)等,已經(jīng)獲得重要應用。Y3Ga5O12(YGG)晶體是另一類重要的石榴石晶體,具有聲子能量更低、發(fā)光效率更高等優(yōu)勢,是Tm~(3+)離子潛在的基質(zhì)材料,但受限于其較高的熔點和生長過程中的Ga203揮發(fā),到目前為止尚未有Tm:YGG激光晶體的系統(tǒng)研究報道。本論文以Tm:YGG晶體為研究對象,探索了該類晶體的生長、熱學、光譜以及激光性能,實現(xiàn)了該類晶體的綜合性能表征,有重要的參考價值。前期研究表明,光學浮區(qū)法是適合YGG體系生長的重要方法,可在滿足晶體生長所需高溫的同時抑制Ga203的揮發(fā),可獲得高質(zhì)量晶體。本論文中采用光浮區(qū)法生長了系列濃度的Tm:YGG晶體,并對其結(jié)構(gòu)及分凝特性進行了探索,表征了其熱學和光學特性,包括熱導率、吸收和發(fā)射光譜等,發(fā)現(xiàn)該晶體具有較高的熱導率、較大的發(fā)射截面和較寬的發(fā)射光譜,并且以發(fā)射波長為795 nm的激光二極管作為泵浦源,實現(xiàn)了 Tm:YGG激光晶體的連續(xù)激光輸出。主要研究內(nèi)容如下:一、Tm:YGG系列晶體的生長1、采用光浮區(qū)法生長得到了六種不同摻雜濃度的高質(zhì)量的Tm:YGG晶體,濃度分別為 1at.%、2at.%、5at.%、8at.%、10at.%、15at.%。2、介紹了晶體的生長方法和生長過程中所使用的設備,從多晶料料棒制作、晶體生長和晶體退火等各個階段具體描述了晶體的生長過程,并且討論了晶體質(zhì)量的關(guān)鍵影響因素,包括多晶料料棒的制作和籽晶的選擇、生長氣氛和氙燈功率的控制、生長速度和轉(zhuǎn)速的控制以及晶體的降溫和退火等。二、Tm:YGG系列晶體的基本物理性質(zhì)1、通過X射線衍射分析得到了各個摻雜濃度Tm:YGG晶體的X射線衍射譜,衍射峰的位置與YGG標準卡片衍射峰的位置一致,說明光浮區(qū)法生長得到的Tm:YGG晶體屬于立方晶系,點群為m3m,空間群為Ia3d,并且計算了晶體的晶胞參數(shù);通過X射線熒光分析得到了 Tm:YGG系列晶體中各個元素的含量,計算得到了T Tm~(3+)和Y~(3+)的有效分凝系數(shù)均接近于1,表明Tm:YGG晶體在生長的過程中銩元素和釔元素分布具有很好的均勻性。2、對Tm:YGG系列晶體的比熱、熱膨脹、熱擴散和熱導率進行了詳細的測試分析,研究了上述熱學性質(zhì)隨溫度變化的關(guān)系,并且詳細分析了 Tm:YGG晶體在室溫300 K下的熱學性能,最大熱導率為7.784 W/mK。通過測試結(jié)果確定了各個摻雜濃度的Tm:YGG晶體均具有優(yōu)良的熱學性能,適合作為激光材料應用到激光器中。三、Tm:YGG系列晶體的光學性質(zhì)1、測試了各個摻雜濃度Tm:YGG晶體的室溫吸收譜,分析了九處吸收峰分別對應的Tm~(3+)能級躍遷,在波長786 nm處吸收峰強度較強且半峰寬較大,能夠很好地吸收泵浦光。2、通過室溫吸收譜并利用倒易法計算得到了 Tm:YGG系列晶體的吸收和發(fā)射截面,得到了 5at.%Tm:YGG在786 nm表現(xiàn)出最大的吸收截面并且在2012 nm處表現(xiàn)出最大的發(fā)射截面,通過吸收截面和發(fā)射截面計算了有效增益截面。3、采用中心波長為795 nm的激光二極管作為泵浦源對Tm:YGG晶體進行了連續(xù)激光實驗,得到了 2012.8nm的輸出激光,對5at.%Tm:YGG晶體的連續(xù)激光實驗中,吸收泵浦功率為8.75 W時,最大輸出功率為0.81 W,斜效率為9.9%,光光轉(zhuǎn)換效率為9.3%,表明Tm:YGG激光晶體在2 μm波段有很好的應用前景。
[Abstract]:With the development of laser technology , the advantages of high laser monochromaticity , high coherence , high directivity and high intensity are more and more widely used in many fields , such as medicine , communication , energy and national defense . The continuous laser output of Tm : YGG laser crystal was achieved by using laser diode with a wavelength of 795 nm as the pumping source . The main research contents were as follows : 1 . Growth of Tm : YGG series crystal : 1 . High quality Tm : YGG crystals with different doping concentrations were grown by using light floating zone method . The concentration of Tm : YGG crystal was 1at . % , 2at . % , 5at . % , 8at . % , 10at . In this paper , the crystal growth process and the equipment used in the growth process are introduced . The crystal growth process is described in detail in various stages of crystal growth , crystal growth and crystal annealing . The results show that Tm : YGG crystal belongs to cubic system , the maximum thermal conductivity is 7.784 W / W . The Tm : YGG crystal has excellent thermal properties . The absorption and emission cross section of Tm : YGG series crystal was obtained by absorption spectrum at room temperature and the absorption and emission sections of Tm : YGG series crystal were calculated by reciprocal method . The maximum absorption cross section was obtained at 786 nm , and the effective gain cross section was obtained by absorption cross section and emission cross section .

【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：O78;O734

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