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激光是人类历史上非常重要的一项发明。自1960年梅曼发明第一台红宝石激光器以来,激光经历60年的发展,已经在显示、先进工业制造、遥感通讯、医疗探测、军事安全等领域发挥出了不可替代的作用。目前,激光领域的几个前沿发展方向分别为:可见光激光,主要应用于显示和光刻方向;1 μm波段的高功率高能量激光,主要用于工业制造;中远红外波段的激光,主要用于医疗、军事领域;以及LD直接泵浦的超快激光。其中属于中红外波段的2.0μm和3.0 μm激光由于涉及医疗、军事安全等领域,是研究的热点。激光技术的发展离不开激光器的不断升级。如今全固态激光器已经成功产业化,激光晶体作其核心组成部分。因此探究热学、光学性质更加优异的激光晶体对激光的发展无疑具有重大意义。近年来,无序结构晶体得到科研人员越来越多的关注。在无序晶体结构中,两种或两种以上的阳离子会随机占据晶体内部的同一格位,因而产生了晶体场变化差异。此种变化使得激活离子在晶体内部的配位环境是多样的,最终导致晶体产生光谱展宽现象。从“宏观”层面上来看,无序离子的浓度比例是满足统计学规律的。这种具有无序性特点的晶体,能够同时结合玻璃宽光谱、长荧光寿命的优点和晶体优异热学性能的优势,在激光领域具有独特的应用价值。本论文以激光的前沿研究方向即属于中红外波段的2.0μm和3.0μm激光为出发点,以稀土离子掺杂的无序结构激光晶体为研究对象,用提拉法分别生长了两种不同结构的无序晶体,即:具有石榴石结构Ho3+、Tm3+双掺的GAGG晶体和具有K2NiF4结构的Er3+、Yb3+双掺的CGA晶体。针对Tm,Ho:GAGG晶体,主要表征了其热学和光谱性质,并进行了 2.0μm波段的连续激光输出测试。针对Er,Yb:CGA晶体,测试了其在3.0 μm波段的光谱性能。上述实验为两种稀土离子掺杂的无序结构晶体在中红外波段激光领域实际应用的可能性提供了数据支撑和参考。具体内容包括以下五章:第一章主要综述了目前激光晶体的发展趋势,2.0μm、3.0μm波段和无序结构激光晶体的研究进展,并介绍了一种晶体生长方法即提拉法。最后基于上述总结,提出了本文的选题意义、目的和主要研究内容。第二章主要介绍了提拉法生长Tm,Ho:GAGG晶体的实验流程。包括多晶料的合成和晶体生长工艺,讨论了影响晶体生长的因素。对于生长气氛,在50%Ar和50%CO2充分混合的气体下,Ga2O3原料的挥发可以被有效抑制。此气氛还能使铱金坩埚不被氧化腐蚀。最终使用合适的生长工艺,采用<111>晶向的YAG晶体为籽晶棒,成功生长出了尺寸为Φ 26×40 mm3的Tm,Ho:GAGG晶体。XRD测试发现实验生长的Tm,Ho:GAGG晶体图谱与标准XRD图谱一致,说明生长的晶体为纯相单晶。XRF测试表明晶体中Tm3+的掺杂浓度为5.2 at.%,Ho3+的掺杂浓度为1.8 at.%。通过公式计算得到Tm3+、Ho3+在晶体中的有效分凝系数分别为0.85、0.88,说明掺杂离子在晶体中分布较为均匀。通过高分辨X射线衍射测试得到Tm,Ho:GAGG晶体(111)面的摇摆曲线平滑对称无劈裂,半峰宽为31”,说明生长的晶体质量良好。第三章我们测试了 Tm,Ho:GAGG晶体的热学和光谱性质,对该晶体进行了连续激光输出实验。通过测试可知,该晶体的平均密度为6.66 g/cm3。室温下晶体的比热数值为0.759 J·g-1·K-1,并且随温度升高,其数值呈现增长的趋势。当温度达到300℃时,晶体的比热数值为0.956 J·g-1·K-1。室温下Tm,Ho:GAGG晶体的热扩散系数为3.123 mm2/s,温度升高热扩散系数会降低。晶体的平均热膨胀系数为6.089×10-6 K-1。计算得到的室温下晶体的热导率为8.532W·m-1·K-1,随着温度上升而逐渐降低。我们对Tm,Ho:GAGG晶体进行了光谱性质的测试。该晶体吸收光谱两个主吸收峰在682 nm和784 nm处,半峰宽为5 nm和26 nm。该晶体的荧光光谱最强峰在2080 nm处,半峰宽为68 nm。此处的荧光寿命为10.67 ms。Tm,Ho:GAGG晶体的吸收和发射峰半峰宽以及荧光寿命均优于Tm,Ho:GGG晶体。这意味着相比于GGG晶体,GAGG晶体由于其无序结构更适合进行Tm3+和Ho3+掺杂,掺杂后更适合匹配LD泵浦。Tm,Ho:GAGG晶体在热学性质方面与目前商品化的掺杂同类稀土离子的YAG、YLF、YV04晶体相比,表现出了较优异的综合性能。在光谱性质方面,Tm,Ho:GAGG晶体与目前常见报道的Tm,Ho:LuAG、Tm,Ho:LuLF、Tm,Ho:YLF晶体相比同样显示出了优秀的综合性能。显示Tm,Ho:GAGG晶体在2.0 μm激光领域是一种具有潜在应用价值的激光晶体。Tm,Ho:GAGG晶体的连续激光测试表明:在787 nm泵浦光激发下,随着晶体吸收泵浦功率增加,其输出功率大致呈线性增加趋势。当晶体样品吸收的泵浦功率达到2.91W时,晶体输出的激光功率最大,为218mW。通过对吸收功率和输出功率数据点进行线性拟合,得出斜效率为9.2%。可以看出晶体的激光输出功率和效率仍有待提高,原因可能是晶体未镀膜、样品长度较短、Tm3+掺杂浓度较低、激光谐振腔结构有待进一步改进等。这也是我们下一步有待开展研究的内容。第四章介绍了使用提拉法生长Er,Yb;CGA晶体的流程。通过优化工艺参数和生长气氛,成功得到了 Φ 26×40 mm3的Er,Yb:CGA晶体。通过XRF测试得到了 Yb3+的掺杂浓度为0.95 at.%,Er3+的掺杂浓度为18.74 at.%。计算得到Er3+的有效分凝系数为0.62,说明提拉法生长Er,Yb;CGA晶体时,有部分Er3+在固相界面处聚集,晶体后半部分的Er3+浓度要高于前半部分。c向Er,Yb:CGA晶体的吸收光谱表明其在967nm处附近有着较强的吸收带宽,是由Er3+ 在967 nm处的吸收峰和Yb3+在981 nm处的吸收峰相叠加导致的。这也说明了该晶体能够很好地匹配已经商用化的InGaAs半导体二极管泵浦,为该晶体面向实际应用打下了良好的基础。c向Er,Yb:CGA晶体的最强荧光峰出现在2730 nm处,半峰宽141 nm,大于Er:GGG晶体以及Er,Pr:GGG晶体在2700 nm附近的荧光峰半峰宽。可见Er,Yb:CGA晶体的多重无序结构令其发生了光谱的展宽现象,这也说明Er,Yb:CGA晶体在可调谐激光领域具有应用潜力。c向Er,Yb:CGA晶体在4I11/2和4113/2能级的荧光强度随时间均呈指数式衰减。上能级4I11/2的荧光寿命为0.34 ms,小于下能级4113/2的荧光寿命3.18 ms。与一些常见的光谱性能较好的Er3+掺杂的激光晶体相比,Er,Yb:CGA晶体中Er3+上能级4I11/2的荧光寿命与Er:CGA晶体(0.45 ms)和Er:CaYAlO4晶体(0.35 ms)对应的上能级荧光寿命相接近。Er,Yb:CGA晶体在3.0μm中红外波段可调谐激光领域具有潜在的应用价值。第五章对本论文进行了总结、提出了主要创新点以及仍有待继续研究的问题。