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晶体材料是内部结构基元在三维空间呈周期性重复排列的固态物质。由于其具有性能稳定,实验现象可靠,可重复性好等许多宝贵的物理性能,具有不同功能的晶体材料在各个领域已得到了广泛的应用。
在材料的光谱研究方面,人们对各种晶体在微波以下,近红外以上的波段都做了大量的研究实验,但是由于太赫兹强源等问题始终未能有关键性的突破,在THz波段的光谱实验比较少。本文对一些晶体样品在THz波段以及宽频范围的光谱性质进行了研究,为这些晶体在宽频段的应用提供了实验基础。
硼酸盐材料作为一批优良的非线性晶体材料,目前主要作为频率转换晶体应用于紫外一近红外波段。目前深紫外、远红外的频率转换晶体比较少,寻找这两个波段的晶体以及拓宽现有晶体的应用范围,成为近年来国际国内研究的热点。钨酸盐晶体也是一类研究较早的应用与固体激光器的激光晶体,固体激光器在军事、通讯和信息等领域具有广阔的应用前景。
本文对硼磷酸钠(Na5B2P3O13)、硼磷酸锌(Zn3BPO7)、硼酸铅(PbB4O7)和硼酸锶(SrB4O7)四种非线性硼酸盐晶体的结构单元结构进行了研究,并且测量了晶体在紫外-近红外,中红外的透射光谱。又通过测量晶体在THz波段的时域光谱,分析了晶体在THz波段的光学性质。另外对两种钨酸盐闪烁晶体进行了分析,找出了钨酸钆镉(CdGd2(WO4)4-δ)晶体不发光的原因;对钨酸铅(PbWO4)晶体的THz时域谱进行了分析。还对掺铬的氟化铝锶锂晶体(Cr:LiSrAlF6)在中红外到THz波段的性质进行了分析。主要研究工作如下:
1.研究了四种硼酸盐晶体的结构单元。NaB2P3O13晶体和Zn3BPO7晶体的结构不同,光学性质差别很大。PbB4O7和SrB4O7基本结构单元完全相同,但是由于Pb2+离子和Sr2+离子与氧离子的键长键角的差别,导致了两种晶体的性质差别比较大。在远红外波段光学性质的差别比较明显。
2.研究了四种晶体在紫外-可见-红外(200-2000nm)的光学性质。得到了四种晶体的透射和反射性质。四种晶体在紫外-近红外波段表现出了很好的透射性质,在近红外波段的透射率都大于80%。利用K-K关系计算了四种晶体的折射率和消光系数,得到了四种晶体的介电函数,其中Na5B2P3O13、Zn3BPO7和SrB4O7三种晶体的折射率稳定,适用于做具有特定要求的稳定功能器件。
3.研究了四种晶体中红外的透射性质。在一特定波段,四种晶体都存在一个比较宽的声子吸收带。由于结构的不同,声子吸收带的频率范围和位置有所不同,适合做各种特定波段的滤波晶体。
4.研究了四种晶体的拉曼光谱。通过与红外波段的透射谱比较,可知在近红外波段,一些光学振动模既是拉曼激活的,也是红外激活的。
5.研究了四种晶体在THz波段的光学性质和基本物理问题。四种晶体表现出了不同的吸收性质。在1THz附近都表现出了良好的透射性质,吸收系数小于20cm-1。根据相位关系计算了四种晶体在测量范围内的色散关系,由色散关系可知其中三种晶体在我们测量的范围内没有表现出声子-光子耦合的特性,即在此波段没有观察到极化激元。并且结合一维声子理论,推导出吸收系数-频率的拟合公式及相关系数。结果发现,对于三种没有发生极化激元的晶体,吸收曲线拟合公式与实验数据符合地很好。从而进一步说明固体物理理论在太赫兹波段的应用。
6.研究了两种钨酸盐闪烁晶体的光学性质。CdGd2(WO4)4-δ晶体中钆元素有两种存在方式,Gd2+和Gd3+。通过对CdGd2(WO4)4-δ中Gd离子含量的计算,发现Gd2+比Gd3+的含量高,这是导致晶体不发光的原因。通过对PWO晶体的THz光谱分析,得到晶体在THz波段的吸收非常高。通过对拉曼光谱分析,得到本论文实验中用的样品结构为I型。最后对激光晶体Cr:LiSrAlF6在THz波段和中红外波段的透射性质进行了分析。