双钨酸盐拉曼激光晶体的生长及物性研究

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1、山东大学博士学位论文1JliII_。--．r,．1．1。iiitImmi

2、—■—————一摘要一般而言，研究新波长的激光有两个方向：一是探索新的激光晶体；二是通过非线性介质对已有的波长进行频率转换。目前采用激光拉曼技术建立的全固态拉曼激光器成为研究的一个热点。拉曼激光介质是拉曼激光器进行频率转换的核心部分，因此研究高质量的、稳定高效的拉曼激光晶体成为材料领域的研究热点之一。KGd(W04)2(KGVO晶体和KY(W04)2(KYW)晶体很早就被证实为高效实用化的拉曼激光晶体。尤其是掺杂钕离子的KGW晶体得到了详尽的研究，H．M．Pask采用Nd：KGW晶体实现了自拉曼连续激光运转，获得

3、了800mW的散射光输出。KGW晶体属于单斜晶系，由于结构的低对称性使得它的物理性质出现各项异性，KGW晶体还具有优良的激光、物理和化学性质，被认为是理想的激光基质材料。KLuW和KYbW晶体与KGW晶体同属于单斜晶系，具有相近的结构和物理性质。对这一系列晶体进行系统充分的研究，具有重要的理论和应用价值。本论文的主要研究内容包括：一、单斜双钨酸盐类晶体的生长：目前已经能够稳定且重复的生长出高质量大尺寸的单斜双钨酸钾盐类晶体，包括KLuW,KYbW,Nd：KLuW,Tb：KLuW,Yb,Tin：KLuW等晶体，采用c向籽晶进行生长，晶体利用率高，能够加工出满足受激拉曼实验要求的样品：四方

4、双钨酸钠盐类晶体(NaI，uWNaYbW,Nal’mW)的生长：已经生长出较大的能够满足基本光谱及热学测试的晶体；探索生长了KxNal嘱LuW类和Ⅺ0uxGdl．xW类晶体的生长。上述晶体因为在熔点一下有玻璃相转变温度，所以不能采用提拉法进行生长。本文中我们采用的是高温溶液法中的顶部籽晶法进行生长。二、测试了晶体的基本性质，包括密度、折射率、元素分析和晶体缺陷等。采用浮力法测试的KYbW晶体密度为7．56g-cm。3，与理论计算的结果(7．619·crn-3)相近；采用棱镜耦合仪测试了晶体的折射率，计算出光轴角V<450，可知晶体光性符号为正光性。因为测量不同的物理性质需要在不同的坐标

5、系统中进行，同时要考虑到不同的加工方向，对于低对称性晶体方向的选择尤为重要，我们将五种山东大学博士学位论文坐标系进行了详细说明，总括的分析了单斜晶系晶体的各向异性。三、采用高温X射线粉末衍射方法结合差热和热重实验，分析KYbW晶体和Nd：NaLuW晶体的结构及相变信息，所做的实验结果吻合：在高温X射线粉末衍射实验中，发现了两次峰形的较大变化，一次(10000C—11000c)是因为发生了熔化，一次(8000c一9000C)是发生了相变；差热实验中同样出现两个吸热峰，分别对应熔化峰(10000C--1100oC)和二级相变吸热(800oC一9000C)。而且两种实验发生的温度范围吻合，说

6、明KLuW系列晶体及Nd：NaLuW(NaYbW,Nal．mW)晶体在熔点以下都存在二级相变，温度区间为soboC一9000C。热重曲线中，只能看出熔化后的失重，二级相变时曲线未有变化。四、研究了晶体的热学性质，其中包括晶体的差热和热重分析、比热、热膨胀、密度随温度的变化、热扩散系数和热导率。由热膨胀曲线拟和了KYbW晶体的密度随温度变化的曲线，在测试温度范围内晶体的密度从7．5559／fr03变化到7．463g／m3。通过热膨胀及热扩散系数的实验，看出单斜双钨酸盐类晶体的物理性质确实具有较大的各项异性。五、主要研究了Nd3+掺杂的各类晶体的光谱性质，采用J．O理论对光谱参数进行计算，

7、并把各类晶体的主要参数进行了比较，结果显示KLuW晶体在这一系列晶体中性能优良：同时研究了不同掺杂离子的晶体的光谱特性，探索输出激光的可行性。六、测试了晶体不同几何配置下的普通拉曼光谱和红外吸收谱，根据空间群理论分析了晶体的晶格振动模式并与实验结果相比较，对观察到的振动模进行了指认。在X(竭i配置下，观察到了两个强的拉曼峰，对应波数分别为761cm"‘和911cm"l，谱线的半峰宽分别为15．6cm．1和10．4锄～，对应的弛豫时间分别为0．68ps和1．02ps，因此说明Nd：KLuW晶体是非常有前途的皮秒脉冲固态受激拉曼散射介质。七、进行了KLuW晶体的受激拉曼实验，采用的样品尺寸

8、分别为3x3x12mm3和6x6x24．6mm3，通光方向分别为b向和c向，即物理学坐标轴的Y向和Z向，转换效率分别为16．42％和7．77％，脉冲宽度分别为8．309ns和27．41ns。重点研究了通光方向为b向时，散射光能量及脉冲随泵浦功率的变化关系。山东大学博士学位论文八、实现了不同掺杂Nd3+浓度的KLuW晶体的连续激光输出：实现了N(，掺杂的不同晶体的激光输出。实验结果和采用J-O理论预测的结果一致，Nd：KLuW晶体的激光性能明显优