掺铥铝酸钇晶体tm：yap制备与性能研究

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1、上海交通大学博士学位论文掺铥铝酸钇晶体Tm：YAP制备与性能研究摘要2p．m波段的光波具有被水强吸收、对人眼安全、可用石英光纤传输等优点，在军事、医疗和环境保护中有着广泛的用途。作为2¨m波段激光器的工作物质，Tm：YAl03(Tin：YAP)晶体具有掺杂浓度高、生长速度快、转换效率高、偏振激光输出等优点，是具有应用潜力的新型固体激光材料。本研究围绕Tm：YAP晶体的生长工艺、缺陷类型及光学性质展开，通过X．射线衍射仪(XRD)、光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、同步辐射(SRWBT)等分析手段和热膨胀系数测量、分光光度计、干涉仪等测

2、试手段，系统研究了Tm：YAP晶体的生长规律、着色机理、光学特性等，取得以下主要结果：采用中频感应加热提拉法生长Tm：YAP晶体，研究了掺杂浓度、籽晶取向、拉速和转速对晶体质量的影响规律，消除了晶体生长中出现的开裂、包裹物等缺陷，提出了适合Tm：YAP晶体生长的工艺参数。成功生长了不同掺杂浓度、不同晶轴取向的Tm：YAP晶体，晶体尺寸为多(23-25)mmX(90～110)锄。部分晶体具有较好的结构完整性和光学质量。摘要对制备的晶体进行XRD分析，确认主相为钙钛矿YAP相；测定了Tm3+在YAP晶体中的分凝系数为0．88，Tm3+沿晶体轴向

3、分布较为均匀。详细研究了Tin：YAP晶体的常见缺陷。测量了沿晶体主轴方向的热膨胀系数，分别为吒----11．9458X1仃6瓜，％----5．0012X1cr6瓜，q=10．5439X10石／K，定量解释了沿b轴方向生长晶体不易开裂的原因，揭示了引起Tm：YAP晶体开裂的主要原因是热膨胀系数的各向异性。确定了Tm：YAP晶体的腐蚀条件，对不同晶面的位错腐蚀坑进行了观察，发现蚀坑形貌符合晶体的结构对称性。在沿b轴生长的Tm：YAP晶体的(010)面上发现了呈十字分布、位错蚀坑密度不同的区域，经分析是晶体生长过程中径向应力在(-01)滑移面上

4、分切应力作用的结果。在沿c轴生长的Tm：YAP晶体中发现了孪晶及消光现象，为了减少晶体生长过程中孪晶的产生，必须尽量减小温度梯度。在扫描电镜下观察到基体中弥散分布有一些尺度为几十微米、形状不规则的散射颗粒夹杂，EDS分析证实夹杂中含有一定的C元素；此外，还发现基体中存在形状规则的铱颗粒。在掺杂浓度为10at％的Tm：YAP晶体中发现了小面的存在，经XRD分析确认为(110)面。本研究首次采用同步辐射X射线形貌术对晶体的隐形缺陷进行了观察。同时，结合晶体的生长条件分析了缺陷的成因，提出了消除缺陷的工艺措施。n上海交通大学博士学位论文通过对晶体

5、进行退火和T射线辐照处理，研究了Tin：YAP晶体的着色机理。研究表明晶体生长过程中偏离化学计量比、杂质Fe3+、O。心、P心以及它们之间的耦合组成的缺陷是造成晶体着色的重要原因，为深入研究YAP晶体的色心奠定了基础。测定了室温下不同掺杂浓度、不同取向Tm：YAP晶体的偏振吸收光谱。结果表明：该晶体在795nm波长附近有较强的吸收峰，对应于韬j一馘的能级跃迁。在检测范围内，随着Tm3+掺杂浓度的增加，晶体吸收性能提高。对于4轴偏振方向来说，最强的吸收峰位于794nm，吸收截面为8．64X10。21tin2：面对于b轴和C轴取向来说，最强的吸

6、收峰均位于793nm，吸收截面分别为9．22X10之1cm2和6．80x10口1cm2。因此，选择b轴取向的晶体作为激光工作物质，可以获得更高的激光输出效率。研究了偏光方向对Tm：YAP晶体吸收光谱的影响。对见谱来说，最强的吸收峰位于794nm，其吸收截面为7．30×10之ocm．2，半高宽FWHM为29nm；而对于D谱，最强的吸收峰位于793nm，其吸收截面为18．30×10"20cm2，FWHM为25nm。与掺铥的其它激光晶体相比，Tin：YAP具有较大的吸收截面和FWHM，适于LD泵浦。研究了Tm：YAP晶体的荧光光谱。光谱中心波长位

7、于1．861．tm，发射截面为4．5×10-21cm2，相应的荧光寿命为4．8ms，表明该晶体具有较高的储能特征，有利于获得低阈值高效率的21xm波段激光输出。由于存在浓度淬灭效应，Tm：YAP中Tm3+的最佳掺杂浓度HI摘-t-在4～6at％之间。根据Judd．Ofelt理论计算了Tm3+在Tm：YAP晶体中的各种光谱参数。Tm3+离子的唯象强度参数：02=O．93x10_20cm2，04=2．23x10～ClIl2，06=1．12x10喇cm2。在此基础上，获得了多项其它光谱参数，并据此分析了晶体产生各向异性的原因。根据计算得到的光谱参

8、数，预测了Tm：YAP晶体的激光输出特性。关键词：Tm：YAP晶体，晶体生长，晶体缺陷，各向异性，光谱性质IV上海交通大学博士学位论文STUDYONCZOCHRALSKIGRo、