论文部分内容阅读
近3μm中红外激光在医疗、空间通信、环境监测以及军事领域具有十分重要的应用。采用成熟的980nm激光二极管直接泵浦,Er3+:~4I11/2→~4I13/2跃迁是获得高功率近3μm固体激光的重要途径。但是Er3+近3μm激光量子亏损大,理论Stokes效率仅35%,超过一半的注入能量会以废热的形式耗散掉,材料的热效应尤为严重。为提高掺Er3+晶体的激光效率,需要通过高浓度掺杂来加强Er离子间的能量传递,突破量子亏损的限制,但是高浓度掺杂会加剧晶体内部废热累积,使晶体光热效应增强,严重限制了激光功率进一步提升。利用三价稀土离子在萤石氟化物晶体中自发团聚的特性,可以在低掺杂浓度下实现Er离子间强的能量传递,进而获得高效率近3μm激光输出。目前关于萤石氟化物晶体中Er离子团簇结构演化规律及其对发光性能的影响机制尚不清楚,导致掺Er3+晶体激光性能优化缺乏理论指导。本文研究了Er:Ca F2和Er:Sr F2晶体中团簇结构和光谱性能随Er离子掺杂浓度的变化规律,通过光谱解析结合理论结构模拟计算,探究了Er离子团聚行为对材料发光性能的影响机制;探索研究了Er:Ca F2-Sr F2混晶和Er:Ca F2单晶光纤的光谱及中红外激光性能。论文的主要工作如下:第一,首次精细、准确、完整地研究并总结了Er:Ca F2/Sr F2晶体光谱参数随掺杂浓度（0.01 at.%～5 at.%）的变化规律。晶体的光谱性能极大依赖于Er离子掺杂浓度,吸收/发射截面随浓度依次呈现显著提升、缓慢提升、下降三个阶段变化,激光上、下能级寿命随掺杂浓度先大幅下降后缓慢回升,其中Er:Sr F2的光谱参数变化相比Er:Ca F2表现出浓度滞后现象。第二,首次建立了Er:Ca F2/Sr F2晶体中团聚Er离子的数量占比与掺杂浓度之间的定量关系,准确描述了Er离子团簇随掺杂浓度的形成与演变过程。以Er:Ca F2为例,Er离子发生团聚的过程可分为三个阶段:在掺杂浓度低于0.05 at.%时为单体阶段,此阶段晶体中几乎不存在Er离子团簇;掺杂浓度0.05 at.%～1 at.%为团簇化转变阶段,此阶段发生团聚的Er离子数目占比急剧上升,最终完全转化;第三阶段为团簇主导阶段,这一阶段几乎所有Er离子均以团簇形式存在。第三,通过共掺Y3+作为结构取代离子的策略,清晰展现了Er:Ca F2/Sr F2体系中Er离子团簇形成所带来的双重效应,即晶格调制和能量传递。研究发现,在较低浓度掺杂阶段晶格调制作用占主导,此时Er离子所处格位环境对称性降低,晶体吸收/发射截面随浓度显著提升,激光上、下能级寿命同步大幅下降;较高掺杂浓度阶段Er离子间能量传递作用占主导,吸收/发射截面随浓度提升幅度变小、甚至下降,激光上、下能级寿命则同步缓慢回升。第四,建立了Er:Ca F2/Sr F2晶体2.8μm激光上、下能级粒子数布居的新模型,首次阐明了Er离子2.8μm激光的自终止问题,纠正了这一问题长期存在的认识误区。对于Er:Ca F2/Sr F2晶体2.8μm激光,激光上、下能级寿命比值不能直接作为判断是否存在激光自终止的判据,还需要考虑激光上能级到基态的跃迁。根据修正后的模型分析发现,Er:Ca F2晶体2.8μm激光在所研究的掺杂浓度范围内不会发生自终止,而Er:Sr F2晶体在掺杂浓度高于0.2 at.%时同样不存在激光自终止问题。第五,利用Er离子的自聚集效应实现了Er:Ca F2/Sr F2晶体低掺杂、高效率、高功率的连续中红外激光输出。我们在1.3 at.%Er:Ca F2晶体中获得了斜效率32.3%的连续中红外激光输出,最大功率2.2W;在3 at.%Er:Sr F2晶体中首次实现斜效率超过40%的瓦级连续中红外激光输出,证明了这两种晶体在实现低掺杂、高效率中红外激光方面的巨大潜力。综上,本论文初步建立了Er:Ca F2/Sr F2这一体系中掺杂浓度、Er离子团簇微观结构与晶体光谱性能之间的关联,并以此作为理论指导,实现了掺Er3+晶体低掺杂、高效率、高功率的连续中红外激光输出。