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对新型激光基质材料的挖掘与探索一直是固体激光领域的重要研究方向之一。稀土铌酸盐材料RENbO4(RE= Gd,La and Y)早在上个世纪60年代就被合成出来,并且被证明是一类性能优异的自激活荧光基质材料,具有化学稳定性高、发光性能好、离子电导率高、介电性能好等优点。经过半个多世纪的发展,该类材料已经在诸多研究领域都表现出了巨大的应用潜能,包括荧光粉、传感器、燃料电池、光催化以及闪烁体等领域。但是,到目前为止,极少有关于此类材料在激光晶体领域的研究报道,而与其同族的钒酸盐和钽酸盐晶体却有着大量的研究并且钒酸盐晶体已经成功的应用于商业化中、小功率固体激光器。因此本论文希望探索稀土铌酸盐作为激光基质材料的可能性。首先,本论文采用基于第一性原理的密度泛函理论对稀土铌酸盐基质的能带结构、态密度、光学性能等做了详细的理论计算;其次,采用提拉法生长了四种Nd3+掺杂的稀土铌酸盐单晶,分别是 Nd:YNbO4,Nd:GdNbO4,Nd:Gd/YNbO4 和 Nd:Gd/LaNbO4 晶体,然后系统地研究了所生长单晶的晶体结构、结晶质量、Nd3+的分凝、缺陷形貌、晶体的机械性能、热力学性能等;接着,本论文还对四种Nd3+掺杂的铌酸盐激光晶体室温吸收光谱、发射光谱、荧光寿命以及量子效率等进行了表征与计算,采用J-O理论计算得到了 Nd3+在这四种铌酸盐基质中的光谱参数;此外,根据低温(8 K)吸收与发射光谱对Nd3+在YNbO4和GdNbO4晶体中的能级进行了详细指认;最后,对Nd3+掺杂四种铌酸晶体的激光性能做了详细评估,包括1.06μm连续激光、0.926 μn连续激光、1.06 μn被动调Q激光和1.06 μm声光调Q激光等。取得的成果主要如下:一、采用基于第一性原理的密度泛函理论对稀土铌酸盐基质,包括YNbO4,GdNb04,LaNbO4和LuNb04的能带结构、态密度、光学性能等进行了详细的理论计算。计算结果表明,四种稀土铌酸盐基质均属于间接带隙材料,较大的禁带宽度(禁带宽度约为4 eV,与实验结果较为接近)表明稀土铌酸盐材料具有较好的激光抗损伤性能;其次,从计算得到的态密度图上可以看出在铌酸盐基质中存在较强的Nb-O共价键,表明铌酸盐材料可能具有较大的非线性效应;另外,计算还得到了四种稀土铌酸盐基质的介电函数、吸收系数、折射率以及反射率。二、采用提拉法成功地生长出无气泡、光学质量较好的四种Nd3+掺杂的铌酸盐单晶,分别是 Nd:YNbO4,Nd:GdNb04,Nd:Gd/YNbO4 和 Nd:Gd/LaNbO4。XRD结果表明四种Nd3+掺杂的铌酸盐晶体均属于具有单斜对称结构的M相,采用Rietveld方法对四种铌酸盐晶体的XRD数据进行结构精修,得到了晶体的晶胞参数,包括键长、键角、晶胞体积等;X射线摇摆曲线结果表明所生长的晶体均具有较好的结晶质量;根据X射线荧光分析得到的Nd3+在四种铌酸盐晶体中的浓度,计算了 Nd3+在四种铌酸盐晶体中的分凝系数;采用化学腐蚀的方法,对铌酸盐晶体中存在的位错形貌进行了研究,结果表明位错形貌与晶体的结构具有明显的对应关系;对四种铌酸盐晶体的维氏硬度进行了表征,根据维氏硬度实验结果评估了四种铌酸盐晶体的屈服强度、断裂韧度和脆性指数等力学性能常数;初步研究了 Nd:GdNbO4晶体的基本物理性能,包括热膨胀系数、比热、密度等。三、对Nd3+掺杂四种铌酸盐晶体的光谱性能进行了表征。测试了室温下四种铌酸盐晶体沿着三个不同结晶学轴方向的透过光谱,计算得到沿b轴切割的Nd:YNbO4,Nd:GdNbO4,Nd:Gd/YNbO4 和 Nd:Gd/LaNbO4 晶体在 808 nm 处的吸收截面分别为:5.7×10-20cm2,9.3×10-20 cm2,11.7×10-20cm2,和 10.5×10-20cm2。通过J-O理论计算给出了四种Nd3+掺杂铌酸盐晶体的光谱跃迁强度参数Ωt(t=2,4,6)值和包括跃迁振子强度、荧光寿命等在内的光谱参数。表征了 Nd:YNb04,Nd:GdNbO4,Nd:Gd/YNbO4和Nd:Gd/LaNbO4晶体的室温荧光光谱与荧光寿命,拟合得到上述晶体4F3/2能级寿命分别为152μs,178μs,156μs和176μs,根据F-L公式,计算得到上述四种晶体在1.06μs处的发射截面分别为22×10-20cm2,24×10-20cm2,20.5×10-20 cm2 及 18×10-20cm2,均小于 Nd:YAG,Nd:YVO4 和Nd:GdTaO4晶体。较小的发射截面和较长的荧光寿命表明Nd3+掺杂的铌酸盐晶体具有较好的泵浦能量储存效果,有利于实现调Q和超短脉冲激光的输出。此外本论文还根据8 K温度下的吸收与发射光谱对Nd3+在YNbO4和GdNbO4晶体中的晶体场能级进行了详细指认。四、对 Nd:YNbO4,Nd:GdNbO4,Nd:Gd/YNbO4 和 Nd:Gd/LaNbO4 晶体的激光性能从连续和调Q两个角度进行了详细的评估,包括1.06 μm连续激光、0.926 μm连续激光、1.06 μm被动调Q激光和1.06 μm声光调Q激光。结果如下:(a)首次在 Nd:YNbO4,Nd:GdNbO4,Nd:Gd/YNbO4 和 Nd:Gd/LaNbO4 晶体中实现了 1.06μm连续激光输出。通过后期的优化,已将Nd3+掺杂铌酸盐晶体的激光斜效率已提高至40%左右。(b)以Cr4+:YAG和WS2纳米晶片作为可饱和吸收体,首次在Nd3+掺杂铌酸盐晶体中实现了 1.06 μm被动调Q激光输出。(c)首次在Nd:Gd/YNbO4晶体中实现了 1.06 μm声光调Q激光输出。本论文的研究结果表明Nd3+掺杂的稀土铌酸盐可以作为一类新型激光基质材料,具有较好的激光抗损伤性能和较大的吸收带宽等优点,可以实现0.926 μm和1.06μm波段的连续以及调Q激光输出。与钒酸盐相比,虽然Nd3+掺杂的稀土铌酸盐在激光性能上目前没有体现非常明显的优势,但本论文的研究还发现了稀土铌酸盐材料具有较大的非线性效应,表明该类材料未来除了在激光领域外还可能在其他光学领域发挥作用。