Er:YbVO4的结构与物性机理研究

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LD泵浦的固体激光器集二极管激光器和固体激光器的优点于一身,并弥补了各自的不足,使得LD泵浦的全固态激光器(DPSSL)极大地优于传统灯泵固体激光器和二极管激光器本身。DPSSL在材料加工、制导、雷达技术、医学、光通讯、激光显示和激光核聚变等方面有重要的应用。对DPSSL,激光工作物质是全固态激光器的重要组成部分,决定着激光器的性能。钒酸盐系列晶体就是其中的性能优良的激光工作物质。由于铒(Er)离子的1.5μm附近的中红外发射光保密性好和对人眼安全,它在光信息、光通讯、医药卫生和国防军事上都有很大的潜在应用。Yb3+离子有非常简单的能级结构(一个激发态),能隙约为10000cm-1,非常适合于976nm左右的LD泵浦(已商品化了),并且其对Er3+离子的敏化效率非常高,从而可以大大降低Er离子的掺杂浓度,以有效减少Er3+离子对1.5μm的再吸收和避免浓度猝灭效应。所以我们采用提拉法生长了Er∶YbVO4晶体,Er∶YbVO4晶体具有吸收带宽、热导率高等特点,可应用于激光二极发生管来产生高功率的激光。本论文主要进行了以下几方面的工作:一、采用提拉法生长了YbVO4晶体和Er∶YbVO4晶体,YbVO4晶体与Er∶YbVO4晶体都属于锆石类晶体,点群为4/mmm,空间群为I41/amd。二、用空间群理论分析了YbVO4晶体和Er∶YbVO4晶体的晶格振动模,YbVO4晶体和Er∶YbVO4晶体具有相同的结构,其物理学单胞中含有四个分子式,共有24个原子,有72个基本晶格振动模式。晶体的简正振动模式的对称性分类为:Γ=5A1g+2A2g+2A1u+7A2u+7B1g+2B2g+2B1u+5B2u+10Eg+10Eu合计共有72个简正模,与实有原子数24对应的运动自由度72相等。由点群4mmm的特征标表可知,1A2u和1Eu为声学模,5A1g,7B1g和282g为活性光学模,10Eg为活性二重简并光学模,其余均为非活性光学模。因此理论上讲,该晶体最多观察到32支活性光学模,即为ΓVib=5A1g+7B1g+2B2g+10Eg在室温下,用在JASCONRS-1000DT显微分光光度计测量了这两种晶体的拉曼光谱。YbVO4晶体的测量结果与理论计算符合较好,而Er∶YbVO4晶体测量的结果与计算的不一样,我们分析了一下原因。三、系统地研究了Er∶YbVO4晶体的热学性质。通过差示扫描量热法测量了Er∶YbVO4晶体比热,在330K时,Er∶YbVO4晶体的比热为0.41Jg-1 K-1。采用热膨胀仪在298.15K~900K的温度范围内测量出Er:YbVO4晶体的热膨胀系数主值分别为αa=4.244×10-6/k,αb=4.07834×10-6/k,αc=7.0×10-6/k。结合晶体的结构特点,分析晶体热膨胀的各向异性性质。我们测量了Er∶YbVO4晶体的热扩散率并计算了Er∶YbVO4晶体的热导率。在303.15K时,Er∶YbVO4晶体沿[100]和[001]方向的热扩散系数分别为1.573mm2/s和1.956mm2/s,相应的热导率分别为3.87 W/m·K和4.81W/m·K。讨论了热学性质对Er∶YbVO4晶体的应用所产生的影响。四、将晶体进行定向、切割和抛光后,用于测定室温下晶体的透过谱,偏振和非偏振吸收光谱、荧光光谱,根据Judd-Ofelt理论,拟合出晶体场唯象强度系数Ω,并计算了各能级的辐射跃迁几率AJJ′,振子强度PJJ′,辐射寿命τ,荧光分支比β和发射截面∑等光谱参数;讨论了Er∶YbVO4晶体作为激光材料的可能性。五、Er∶YbVO4晶体在1.5μm附近有着优良的光谱性能。选择优良晶体进行了激光性能的测试。但并没有出激光,而是产生荧光,我们根据Er3+离子的能级给出了解释。
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