【摘要】：2.7～3 μm激光波段處于水的強(qiáng)吸收帶,可用于多水分的身體軟組織及骨的切開、切除手術(shù),因此在生物醫(yī)療中有著重要的應(yīng)用,目前已應(yīng)用在眼科、牙科及激光美容手術(shù)中。其在紅外對抗、激光雷達(dá)、環(huán)境監(jiān)測、遙感、激光光譜等領(lǐng)域有著極為主要的運(yùn)用地位。并且2.7～3 μ波段之間還有亞精細(xì)波長對水的吸收較弱,如2.911 μm波長,因此這個波段的激光可直接用于太空軍事及科學(xué)研究。此外,2.7～3 μm激光可用作光參量震蕩的泵浦源,實(shí)現(xiàn)3～15 μm的中紅外激光輸出,在環(huán)境污染檢測、光電對抗及反恐等領(lǐng)域也有著重要的應(yīng)用。Ho3+摻雜的鉭酸鹽晶體材料是潛在的直接產(chǎn)生2.7～3 μm激光的晶體材料。本文研究了以GdTaO4為基質(zhì),摻雜Yb,Tm,Ho,Pr,Y等離子晶體的晶體生長,對其結(jié)構(gòu)、光譜及熱學(xué)特性進(jìn)行了詳細(xì)了研究。本文的研究內(nèi)容和成果如下:(1)采用高溫固相法制備了 Yb,Ho摻雜GdTaO4和YTaO4多晶粉末。對其物相及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析并精修了其結(jié)構(gòu)參數(shù)。測量了其漫反射吸收譜,最強(qiáng)的吸收峰位于955 nm,吸收峰半峰寬度大約為75 nm,非常適合用目前已商品化的InGaAs的LD泵浦,且無需嚴(yán)格控溫就能獲得相位匹配的泵浦波長。發(fā)射譜表明,Yb,Ho摻雜GdTaO4和YTaO4多晶粉末在2.9 μm附近都有較強(qiáng)熒光峰。將Y3+摻入到GdTaO4基質(zhì)中,優(yōu)化Y3+的濃度,能將熒光峰的位置調(diào)節(jié)到2.911μm,所以Yb,Ho:Gd/YTaO4是值得深入研究并且有望成為一種新型LD泵浦2.911μm激光材料。(2)采用提拉法成功生長出無散射、光學(xué)質(zhì)量良好的Ho:Gd/YTaO4,Tm,Ho:Gd/YTaO4,Yb,Ho:Gd/YTaO4,Yb,Ho,Pr:Gd/YTaO4 四種單晶。XRD 測試分析表明它們均為MGdTaO4相結(jié)構(gòu),利用Rietveld方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)精修,獲得了晶體的晶格常數(shù)、原子坐標(biāo)、溫度因子等結(jié)晶學(xué)參數(shù);X射線搖擺曲線表明晶體結(jié)晶質(zhì)量良好。通過X射線熒光分析,獲得晶體中Ho3+離子的有效分凝系數(shù)接近1,因此有利于高濃度、均勻摻雜。(3)對 Ho:Gd/YTaO4,Tm,Ho:Gd/YTaO4,Yb,Ho:Gd/YTaO4和Yb,Ho,Pr:Gd/YTaO4四種晶體的光譜性能進(jìn)行了詳細(xì)的研究。四種晶體a,b,c三個方向的常溫下的透過譜表明,四種晶體都是沿c方向的吸收系數(shù)最大,是優(yōu)選的泵浦方向;Yb,Ho:Gd/YTaO4和Yb,Ho,Pr:Gd/YTaO4的泵浦波長處的吸收系數(shù)相對較大,更有利于提高泵浦效率。對Ho:Gd/YTaO4晶體的350～3000 nm范圍內(nèi)的吸收光譜進(jìn)行了 J-O理論分析,計算得到了強(qiáng)度參數(shù),給出了晶體不同能級躍遷的躍遷振子強(qiáng)度、線強(qiáng)、熒光壽命、熒光分支比等重要的光譜參數(shù)。測量了四種晶體常溫下的發(fā)射譜。Ho:Gd/YTaO4在2848 nm、2862 nm和2906 nm處出現(xiàn)了三個最強(qiáng)的發(fā)射峰;Tm,Ho:Gd/YTaO4在2895 nm、2915 nm和2932 nm處出現(xiàn)了三個最強(qiáng)發(fā)射峰;Yb,Ho:Gd/YTaO4的最強(qiáng)發(fā)射峰在2865 nm和2911 nm處;Yb,Ho,Pr:Gd/YTaO4的最強(qiáng)發(fā)射峰在2865 nm和2907 nm處。其中Yb,Ho:Gd/YTaO4的最強(qiáng)發(fā)射峰位于2911 nm,并且半峰寬度達(dá)到21nm,是很有希望的實(shí)現(xiàn)2.911 μm激光輸出的晶體材料。測量了四種晶體的2.9μm激光上下能級的壽命,上能級516的壽命依次為310.7,131.0,419.0,376.2μs,下能級 5I7 壽命依次為 8.1,4.1,7.3,0.9 ms。Yb,Ho,Pr:Gd/YTaO4激光上能級壽命長,下能級壽命相對較短,更容易實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn),降低泵浦閾值,有利于激光輸出功率或能量的提高。計算了四種晶體在2.9 μm波段的室溫下的發(fā)射截面,Ho:Gd/YTaO4晶體在2848 nm 處有最大發(fā)射截面為 12.6×10-20cm2;Tm,Ho:Gd/YTaO4 晶體在 2933 nm處有最大發(fā)射截面為37.2×10-20 cm2;Yb,Ho:Gd/YTa04的最大發(fā)射截面為17.6×10_20 cm2,位于 2911 nm 處;Yb,Ho,Pr:Gd/YTaO4 的最大發(fā)射截面為13.9×10-20cm2,位于2907nm處。對比四種晶體可以發(fā)現(xiàn),Tm,Ho:Gd/YTaO4的發(fā)射截面最大,最容易實(shí)現(xiàn)激光輸出,其次分別是Yb,Ho:Gd/YTa04,Yb,Ho,Pr:Gd/YTaO4 和 Ho:Gd/YTa04 晶體。測量了低溫8K下的Ho:Gd/YTaO4的吸收光譜和發(fā)射光譜,初步分析了 Ho3+相應(yīng)多重態(tài)能級5I8,5I7,5I6,5F5,5F4+5S2,5F1+5G6的Stark能級分裂情況。(4)對Yb,Ho:Gd/YTaO4晶體的熱力學(xué)性能進(jìn)行了表征,主要包括比熱、熱膨脹,熱擴(kuò)散以及熱導(dǎo)率。測定了 Yb,Ho:Gd/YTaO4的比熱曲線,25 ℃的比熱值為0.32 J/(g·K)。測定了 Yb,Ho:Gd/YTaO4晶體a,b,c三個方向的熱膨脹系數(shù),a向的熱膨脹系數(shù)最小,說明a向可以作為最佳的生長方向,有利于生長出大尺寸無開裂的晶體。測定了晶體的熱擴(kuò)散系數(shù),計算了其熱導(dǎo)率。室溫下a,b,c三個方向熱擴(kuò)散系數(shù)為 λa=2.019 mm2/s,λb=1.611mm2/s,λc=2.084mm2/s;熱導(dǎo)率系數(shù)分別為ka=5.550W/mK,kb=4.428W/mK,kc=5.728W/mK。c向的熱擴(kuò)散和熱導(dǎo)率最大,對于激光晶體來說,熱擴(kuò)散和熱導(dǎo)率大,利于降低熱透鏡效應(yīng),所以c向可以作為作為最佳的泵浦方向。本論文工作為2.7～3 μm激光波段發(fā)展了新型的激光晶體材料。
【圖文】：

或均相區(qū)內(nèi)原子進(jìn)行反應(yīng)；③新物相核的形成；④物質(zhì)通過擴(kuò)散和遷移進(jìn)行輸運(yùn)逡逑［７１］。實(shí)際上，固相反應(yīng)的類型和決定反應(yīng)的因素有很多，如圖２．１所示。逡逑內(nèi)廠結(jié)構(gòu)邐ｎ逡逑—在邋＿＿逡逑因１能ｓ邋（包逡逑括固體物逡逑的組成逡逑決邐、化學(xué)性邐邐單一逡逑１邐質(zhì)、晶格邐ｇ附和解邐＿逡逑反邐、缺陷等邐ｗ逡逑勊一１邐＞邐１邐界面或邐｜邋固氣逡逑X邐廣溫度邐卜一步一＜（均相反邐卜鋈一ｊ逡逑素邐■邐驟應(yīng)雌邐桯固液逡逑輻照（紫外線、Ｘ射邐４１逡逑線、Ｙ射線）邐固囿逡逑外電流和電壓邐輔Ｉ運(yùn)（原逡逑、一部ｊ邋ｈｕｍN邐子和缺陷Ｊ邐Ｌ＿表面逡逑因＾機(jī)械壓力邐的擴(kuò)散）邐衣凹逡逑＾邋液相的濃度逡逑氣相的壓力逡逑預(yù)處理（熱處理、摻雜、逡逑七輻照、研磨、機(jī)械變形逡逑等）逡逑圖２．１固相反應(yīng)的類型、步驟和決定因素［７１］逡逑Ｆｉｇ．邋２．１邋Ｔｙｐｅ，邋ｓｔｅｐ，邋ａｎｄ邋ｔｈｅ邋ｄｅｃｉｄｉｎｇ邋ｆａｃｔｏｒ邋ｏｆ邋ｓｏｌｉｄ邋ｐｈａｓｅ邋ｒｅａｃｔｉｏｎ．逡逑下面簡單介紹下固相反應(yīng)中的粉末反應(yīng)，反應(yīng)過程的簡化模型用圖２．２來表逡逑示（Ａ和Ｂ為反應(yīng)物，ＡＢ為生成物）。忽略反應(yīng)物的揮發(fā)性，，物質(zhì)將沿著Ａ和逡逑Ｂ反應(yīng)物的接觸點(diǎn)進(jìn)行相互擴(kuò)散和遷移。因為表面擴(kuò)散系數(shù)大，如果在Ａ顆粒逡逑表面生成產(chǎn)物層ＡＢ，當(dāng)產(chǎn)物層生成之后，Ｂ通過產(chǎn)物層擴(kuò)散到Ａ－ＡＢ的界面與逡逑Ａ反應(yīng)生成ＡＢ。上述反應(yīng)的速度主要決定于Ａ－ＡＢ的界面上的產(chǎn)物層的擴(kuò)散速逡逑度

米用日本邋Ｓｈｉｍａｄｚｕ邋公司邋Ｓｏｌｉｄ邋Ｓｐｅｃ－３７００邋ＤＵＶ－ＵＶ－Ｖｉｓｉｂｌｅ－Ｎｅａｒ邋Ｉｎｆｒａｒｅｄ邋分光逡逑光度計測量了多晶粉體的漫反射吸收光譜。Ｙｂ，Ｈｏ：Ｌｎ（Ｌｎ＝Ｇｄ，Ｙ）Ｔａ０４多晶粉末的逡逑漫反射吸收譜如圖２．５所示。在所測試波長２００邋ｎｍ？７００邋ｎｍ范圍內(nèi)，Ｙｂ，Ｈｏ：ＧｄＴａ０４逡逑存在Ｈｏ３＋的四個主要吸收帶，主峰位分別是４５２、４８３、５３９、６４１邋ｎｍ，依次對應(yīng)逡逑于從基態(tài)５／８到激發(fā)態(tài)能級５巧（３尺８）、５Ｆ３、５Ｆ４（５Ｓ２）、５Ｆ５的吸收躍遷，強(qiáng)峰位于４５２逡逑ｎｍ處。在波長８００邋ｎｍ￣１２００邋ｎｍ范圍內(nèi)，主要存在Ｙｂ３＋的四個吸收帶，主峰位逡逑分別是９２７、９５５、１００２、１１４７邋ｎｍ，最強(qiáng)的吸收峰位于９５５邋ｎｍ，這些吸收帶對應(yīng)逡逑于典型的Ｙｂ３＋離子的基態(tài)２Ｆ７／２到激發(fā)態(tài)２廠５／２的子能級之間的躍遷吸收。從圖中逡逑可以看出Ｙｂ３＋的吸收峰半峰寬度大約為７５邋ｎｍ，如此寬的吸收帶非常適合用目前逡逑己商品化的ＩｎＧａＡｓ的ＬＤ泵浦，且無需嚴(yán)格控溫就能獲得相位匹配的泵浦波長。逡逑從圖中還可看出，在所測試波長范圍內(nèi)，Ｙｂ，Ｈｏ：ＹＴａ０４與Ｙｂ，Ｈｏ：ＧｄＴａ０４具有相逡逑同的吸收帶
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TN244

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 ;山東大學(xué)晶體材料國家重點(diǎn)實(shí)驗室[J];科學(xué)通報;2001年18期

2 ;科學(xué)家研制出導(dǎo)電不導(dǎo)熱的晶體材料[J];世界科技研究與發(fā)展;2003年03期

3 許東學(xué) ,蔣民華;晶體材料國家重點(diǎn)實(shí)驗室[J];中國基礎(chǔ)科學(xué);2004年03期

4 薛冬峰;;晶體材料的設(shè)計與模擬[J];人工晶體學(xué)報;2007年04期

5 ;光電子學(xué)和晶體材料[J];激光與光電子學(xué)進(jìn)展;1973年10期

6 王繼揚(yáng);山東大學(xué)晶體材料實(shí)驗室通過國家驗收[J];山東大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);1987年04期

7 許心光;;山東大學(xué)晶體所產(chǎn)品打入國際市場[J];山東大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);1988年03期

8 譚浩然;無機(jī)功能晶體材料的發(fā)展[J];中國科學(xué)院院刊;1991年03期

9 劉景和;晶體材料新現(xiàn)象和新物質(zhì)的探索[J];人工晶體學(xué)報;1991年Z1期

10 王繼揚(yáng);高樟壽;;晶體材料實(shí)驗室[J];化學(xué)通報;1991年05期

相關(guān)會議論文 前10條

1 康琦;;浮力對流對晶體材料生長的影響[A];西部大開發(fā) 科教先行與可持續(xù)發(fā)展——中國科協(xié)2000年學(xué)術(shù)年會文集[C];2000年

2 洪茂椿;;光電子晶體材料的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展思路[A];第14屆全國晶體生長與材料學(xué)術(shù)會議論文集[C];2006年

3 薛冬峰;;晶體材料的設(shè)計與模擬[A];第14屆全國晶體生長與材料學(xué)術(shù)會議論文集[C];2006年

4 孫云;王圣來;丁健旭;牟曉明;;晶體材料力學(xué)測試方法調(diào)研[A];第15屆全國晶體生長與材料學(xué)術(shù)會議論文集[C];2009年

5 蔣民華;;功能晶體材料的發(fā)展[A];第五屆中國功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會議論文集Ⅰ[C];2004年

6 孫威;孫桂芳;張澤;侯碧輝;;CdGd_2(WO_2)_4晶體的高分辨電子顯微研究[A];2005年全國電子顯微學(xué)會議論文集[C];2005年

7 于吉紅;;分子篩多孔晶體材料的定向設(shè)計與合成[A];第十二屆固態(tài)化學(xué)與無機(jī)合成學(xué)術(shù)會議論文摘要集[C];2012年

8 劉志宏;;含硼骨架無機(jī)微孔晶體材料的熱化學(xué)研究[A];中國化學(xué)會成立80周年第十六屆全國化學(xué)熱力學(xué)和熱分析學(xué)術(shù)會議論文集[C];2012年

9 介萬奇;;光電子晶體材料及其Ⅱ-Ⅵ族化合物晶體生長技術(shù)(摘要)[A];2008全國功能材料科技與產(chǎn)業(yè)高層論壇論文集[C];2008年

10 羅軍華;;極性分子基光電晶體材料[A];中國化學(xué)會2013年中西部地區(qū)無機(jī)化學(xué)化工學(xué)術(shù)研討會論文集[C];2013年

相關(guān)重要報紙文章 前10條

1 記者 單小書;市領(lǐng)導(dǎo)會見晶體材料專家[N];撫順日報;2007年

2 本報記者 張永強(qiáng);寶石磨礪始出彩[N];中國人事報;2007年

3 記者 蔡忠仁;福建成立光電晶體材料基地[N];中國化工報;2010年

4 本報實(shí)習(xí)記者 吳英華;山大華特主營瞄準(zhǔn)晶體產(chǎn)業(yè)[N];中國證券報;2002年

5 任霄鵬;可存儲清潔能源的最輕晶體材料誕生[N];人民政協(xié)報;2007年

6 微聞;導(dǎo)電不導(dǎo)熱新式晶體材料研制成功[N];中國電子報;2003年

7 蘇藍(lán);江陰晶體：十年磨一劍[N];科技日報;2001年

8 記者 張梅;碲鋅鎘晶體材料技術(shù)在我省取得重大突破[N];陜西日報;2014年

9 記者 常麗君;新方法可制造自然界沒有的全新晶體[N];科技日報;2011年

10 記者 李聯(lián)慧;我國光電子晶體投入批量生產(chǎn)[N];中國機(jī)電日報;2001年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 朱麗麗;(D)ADP晶體生長及基本性質(zhì)研究[D];山東大學(xué);2015年

2 楊磊;功能晶體材料相穩(wěn)定性與相變的理論研究[D];山東大學(xué);2015年

3 鐵貴鵬;KDP晶體單點(diǎn)金剛石車削關(guān)鍵技術(shù)研究[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2013年

4 鄭東陽;RE(RE=Nd，Ho，Tm)： LiYF_4激光晶體生長及性能研究[D];長春理工大學(xué);2015年

5 張洋;抗灰跡KTP晶體的生長及灰跡形成機(jī)理研究[D];山東大學(xué);2015年

6 匡文劍;微納米氧化鎂晶體的發(fā)光特性及應(yīng)用[D];東南大學(xué);2015年

7 張濱濱;層狀三角晶格氧化物K_xRhO_2晶體的生長與物性研究[D];南京大學(xué);2016年

8 婁斐;新型光譜非均勻展寬摻鐿晶體超快激光特性研究[D];山東大學(xué);2016年

9 王寶林;釹摻雜镥釔鈧鎵石榴石晶體生長及性質(zhì)研究[D];山東大學(xué);2016年

10 張世明;鐿離子摻雜釩酸釔和磷酸釔系列激光晶體的生長和機(jī)理探究[D];青島大學(xué);2016年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 李敏;基于金屬鹵化物體系的給受體型光敏晶體材料的設(shè)計合成及性能表征[D];華南理工大學(xué);2015年

2 吳曉芳;晶體材料的微磨削機(jī)理若干研究[D];沈陽理工大學(xué);2015年

3 牛雪姣;摻雜YAG晶體的生長和光學(xué)性能研究[D];上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院;2015年

4 楊波波;Dy摻雜Bi_4Si_3O_(12)晶體生長及其閃爍性能研究[D];上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院;2015年

5 王磊;相界附近鉭鈮酸鉀晶體的電光響應(yīng)特性及其機(jī)理研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

6 宋成朋;KDP晶體微水霧溶解拋光方法研究[D];大連理工大學(xué);2015年

7 高雅慧;四方晶系晶體的純模軸研究[D];河北工業(yè)大學(xué);2015年

8 徐秦;納米纖維素晶體及其改性產(chǎn)物對聚丁二酸丁二醇酯的增強(qiáng)作用研究[D];南京大學(xué);2014年

9 李煜q

本文編號：2572131