镱离子掺杂钒酸钇和磷酸钇系列激光晶体的生长和机理探究

摘要

随着激光二极管技术的发展，全固态激光器以其高效率、高集成度、高稳定性等特点为科研、军事、医疗、材料加工以及日常生活的各个领域的发展起到了非常重要的作用。激光增益介质是激光技术的一个核心要素，优秀的增益介质会为激光技术带来快速发展。激光晶体材料作为一类及其重要的激光增益介质，其高质量、大尺寸的晶体生长往往具有里程碑式的意义，比如掺钕钇铝石榴石晶体和掺钕钒酸钇晶体。通过对晶体结构的理解和晶体缺陷的表征分析从而优化生长工艺是获得高质量、大尺寸晶体的有效手段。镱掺杂钒酸盐系列晶体也是一类优异的激光晶体材料，其在连续激光和脉冲激光领域都表现优异，并且还存在激光双稳态和偏振态转化等特殊的激光表现。对此系列晶体激光性能进行研究，能够有助于获得更优异的激光输出并在一定程度上指导新晶体的探索。目前，镱掺杂钒酸盐系列晶体中Yb:YVO4、Yb:LuVO4、Yb:GdVO4、Yb:YxGd1-xVO4，Yb:LuxGd1-xVO4的激光性能都已报道，只有Yb:YxLu1-xVO4晶体还没有被生长，我们利用提拉法对其进行晶体生长并进行性能表征。正磷酸盐晶体与钒酸盐晶体具有相同的晶体结构和优异的物理化学性质，镱掺杂正磷酸盐系列晶体也初步表现出优异的激光性能。正磷酸盐晶体的生长难度大，需要在突破晶体生长工艺的基础上全面展开激光等性能的研究。
　　本研究主要内容包括：⑴利用提拉法成功生长出Yb:YxLu1-xVO4系列晶体。介绍了晶体生长设备、原理以及主要工艺流程，结合晶体热力学理论讨论了生长过程中的晶体形貌特点，并讨论了不同生长阶段时生长温度对晶体外形的的影响。从热力学和动力学两个角度讨论了影响晶体质量的因素，比如原料纯度、温场、籽晶选择和退火程序等等。⑵利用不同的腐蚀剂以及腐蚀时间对Yb:YxLu1-xVO4晶体的(100)面和(001)面进行腐蚀，通过观察晶体表面的蚀坑表征分析晶体中的位错密度和分布。利用透射电子显微电镜(TEM)的衍衬像观察晶体(100)面样品中的位错形貌特点。腐蚀法和TEM衍衬像结果均显示出晶体中[001]取向的位错线密度要大于[100]取向，结合晶体结构讨论了晶体中位错的形貌特点。通过高分辨电子显微技术直接观察到晶体中的刃型位错的结构，并观察到伯格斯矢量大小相等方向相反的成对刃型位错。对晶体进行热膨胀系数测试，并结合晶体结构讨论了晶体中成对出现的刃型位错的可能的形成原因：晶体在高温生长结束后的降温过程中，由于晶体的热膨胀各向异性引起的热应力，使得晶体中完整晶面断裂形成两个刃型位错。⑶利用焦磷酸铅助熔剂体系对Yb:YPO4晶体进行助熔剂法自发成核生长。讨论了改变助熔剂体系中氧化铅和五氧化二磷的组分配比对晶体生长造成了的影响。为了改善晶体生长时物质输运条件，通过向体系中添加碱金属离子降低体系粘度，晶体尺寸显著增大同时成核数量减少。XRD测试表明添加物没有造成晶体结构变化，证明了生长体系改进的有效性。对晶体进行了偏振吸收光谱测试，计算得到了吸收截面和吸收线宽。首次在室温下成功获得了Yb:YPO4晶体的连续激光运转，在2.2W的吸收功率下得到了0.36W的激光输出。测试得到了晶体的不同输出耦合下激光发射光谱。