几种稀土硼酸盐、钒酸盐光学晶体的生长及性能研究

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1、山东大学博士学位论文摘要近年来，激光二极管(LD)泵浦的固体激光器得到了迅速发展，在现代技术中，它们扮演着越来越重要的角色。其中，微小型固体激光器因具有体积小、结构紧凑、效率高、输出稳定、寿命长和成本低等优点，在光信息存储、光纤通讯、海底探测、激光打印、医疗等领域中拥有着广阔的应用前景和巨大的经济价值。因此，探索更多更适合制作这种微小型激光器的光学晶体成为了材料领域的一个研究热点。RCOB(R为稀土元素)和Nd：GdV04等系列晶体就是在此背景下涌现出来具有应用前景的多功能光学晶体。其中，RCOB作为一类新型的稀土硼

2、酸盐晶体，具有透光波段宽、相位匹配范围大、光损伤闽值高、不潮解，以及生长速度快，易获得高质量的单晶等特点，因而具有实际应用前景。Nd：GdVO。晶体，则具有优良的激光、物理和化学性质，且热学性能明显优于Nd：YV04晶体，在中高功率LD泵浦的激光系统中，显示出广阔的应用前景，是理想的激光材料。鉴于这些优势，该系列晶体逐渐引起了人们的关注。本论文对RCOB、GdV04系列晶体的生长、结构、缺陷及性质(基本物理性质和光学性质)进行了系统的研究，并探索了其应用，主要包括以下几方面工作：一、晶体生长通过控制合适的工艺参数，采

3、用熔体提拉法(Czochralski)，生长出了大尺寸、高质量的RCOB系列单晶及Nd：GdV04单晶，并对晶体的形貌进行了分析。首次报道了LaCOB晶体的生长和基本性质。由于晶体生长是一个复杂的物理一化学过程，我们结合晶体生长热力学和动力学，系统讨论了在生长过程中影响晶体生长和晶体质量的主要因素。其中，建立合理的温场是生长优质单晶的前提；控制合适的生长工艺参数是晶体生长的关键；选用优质籽晶，采用最佳生长方向、消除外界因素的影响，减少分凝效应以及避免组分过冷是提高晶体质量的保证。同时针对不同因素的产生原因和影响特点，

4、提出了相应的解决方法。二、晶体结构与缺陷利用X射线法(粉末X射线衍射法和单晶x射线衍射法)，结合拉曼散射，研究了RCOB和Nd：GdV04晶体的基本结构和特点，测量了晶体的晶胞参数。其中，RCOB系列晶体的结构基本相同，属单斜晶系，点群为ITI，空间群为Cm。Nd：GdV04晶体属I摘要于四方晶系，点群为4／mmm，空间群为14l／amd。测量了RCOB系列晶体在不同几何配置下的拉曼谱，探讨了拉曼散射与结构的对应关系，指出了晶体非线性的主要起源。通过比较该系列晶体的拉曼谱，分析了稀土元素对拉曼谱的影响。采用同步辐射白

5、光貌相术，结合光学显微术和其他分析技术，对RCOB及Nd：GdV04晶体的缺陷进行了系统的观测和研究，并结合晶体生长探讨了缺陷的形成机制，为生长优质晶体提供了依据。其中，在RCOB系列晶体中容易产生的生长缺陷主要有：包裹体、生长条纹、小角晶界和生长位错：在Nd：GdV04晶体中容易产生的缺陷主要有开裂、包裹物、小角晶界，位错等。这些缺陷的存在严重影响了晶体的完整性。我们根据晶体的缺陷研究结果，针对这些缺陷的形成机制，采取了相应措旎，不断加强生长工艺条件的完善和控制，有效地减少或消除了晶体中的这些缺陷。三、晶体的基本性

6、质通过测量RCOB和Nd：GdV04晶体的线性光学、热学、电学和电光性质，讨论了这些基本物理性质对晶体生长和应用的影响。为探讨晶体的光学应用，首先研究了RCOB、Nd：GdVO。系列晶体的透过、吸收特性。利用x射线定向仪结合偏光显微镜，对LaCOB等晶体进行了定向．确定了折射率主轴与结晶学轴之间的关系，并用V棱镜法测量了LaCOB等晶体的主轴折射率，拟合了折射率色散方程。另外，利用晶体学和空间几何知识，为低对称性晶体的定向加工提供了可靠的方法，并通过极射投影，为晶体加工提供了直观的图形化模型。测量了LaCOB和Nd：

7、GdV04晶体的熔点、热膨胀、比热等热学性质，并结合晶体的结构特点，分析了热学性能对晶体生长和光学应用的影响。由于介电常数不仅能够反映介质电极化行为，还可以反映物质的结构变化情况。因此，我们测量了RCOB晶体的介电常数，并测定介电常数随温度的变化曲线，结合差热分析，讨论了晶体的热稳定性。另外，为探索RCOB晶体在电光效应方面的应用．我们采用干涉法测量了RCOB晶体的电光系数。四、晶体的光学性能与应用将激光光谱学和激光实验相结合，利用稀土光谱理论(Judd—Ofelt理论和晶体中能量传递理论)，系统研究了Nd：GdV0

8、4及不同稀土离子掺杂的RCOB晶体的光谱特性，预测了晶体的激光性能。并对部分光谱性能优良的晶体，结合实验条件，进行了激光性能测试，初步探讨了应用前景。其中，Dy：YCOB晶体因具有优良的光谱性能和黄光Jl山东大学博士学位论文特性(4F9，2能级的荧光寿命长，且4F9，2—6H13／2通道的荧光分支比达到65％)，有可能实现585nm处黄色激光输