掺钕A3TaGa3Si2O14(A=Ca,Sr)晶体的生长和激光自倍频性能研究

摘要

激光技术在工业、农业、通信、医学、国防等科学技术领域有着重要应用。目前，开发同时具有激光性能和非线性光学性能的多功能晶体材料，拓展激光的波段范围，获得小型、便携、稳定的激光器件，是当前激光器发展的主流。为探索更多具有激光倍频复合功能效应的晶体材料，丰富现有材料体系，本论文对结构有序型A3TaGa3Si2O14(ATGS，A=Ca，Sr)以及掺钕ATGS(A=Ca,Sr)晶体进行了生长，研究了他们的非线性光学性质和激光自倍频性质。主要研究工作及结果如下:
　　(1)采用提拉法，对Ca3TaGa3Si2O14(CTGS)和Sr3TaGa3Si2O14(STGS)以及掺杂1mol％Nd2O3的CTGS和STGS晶体进行了生长。研究了晶体的最佳生长方向，结果证明CTGS和STGS晶体分别沿[110]和[120]方向生长时，能够得到较高质量的单晶。分析了生长晶体的缺陷（包括:晶体开裂，包裹体和色心等）。研究表明，通过调节温场、改变生长工艺参数、退火处理等措施，可以有效克服或降低此类缺陷的形成。
　　(2)对生长的CTGS、STGS、Nd∶CTGS和Nd∶STGS晶体进行了结构分析及光学性质表征。采用X-Ray粉末衍射仪对生长的CTGS、STGS、Nd∶CTGS和Nd∶STGS晶体结构进行了分析。研究结果表明，所生长的四种晶体均为同一物相，同属三方晶系32点群;与CTGS和STGS晶体相比，Nd∶CTGS和Nd∶STGS晶体的晶格常数都有不同程度的增大，晶体底部的晶格参数增大更为明显，与Nd3+的分凝系数有关。
　　采用高分辨X射线衍射技术，对生长的Nd∶CTGS晶体的质量进行了表征。选取晶体中心和边缘部分进行摇摆曲线测试。结果表明，两部分晶体所得到的摇摆曲线峰型对称，半峰宽较小且相等，说明生长的晶体具有较高的晶格完整度。
　　采用X射线荧光光谱仪，对Nd∶CTGS和Nd∶STGS晶体中Nd3+的掺杂浓度进行了检测。研究结果表明，Nd3+在Nd∶CTGS和Nd∶STGS晶体中掺杂浓度分别为10.7520％和6.4516％，分凝系数分别为0.420和0.311。
　　对ATGS(A=Ca,Sr)和Nd∶ATGS(A=Ca,Sr)晶体进行了透过光谱测试分析。结果表明，生长晶体的透过率均在80％以上，表明了晶体良好的光学均匀性。
　　在室温红外波段(800nm～1500nm)，测试了Nd∶CTGS和Nd∶STGS晶体的荧光光谱，发现Nd∶CTGS和Nd∶STGS晶体在该波段均存在三个荧光发射峰，中心波长分别在893nm、1064nm和1344nm附近。其中波长1064nm处，峰值最高。
　　采用垂直入射法，分别对CTGS和STGS晶体进行了折射率的测量。并根据色散方程对折射率进行拟合，进而求得色散方程的参数。实验结果表明，该类晶体均为正单轴晶体。
　　(3)根据测得的CTGS和STGS晶体的折射率，通过理论与实验研究，得到了两种晶体的相位匹配角度，分别为:CTGS晶体，Ⅰ类(38.7°，30.0°)，Ⅱ类(61.1°，0°);STGS晶体，Ⅰ类(42.5°，30.0°)，Ⅱ类(69.5°，0°)。按照相位匹配角度设计并加工CTGS和STGS晶体切型并进行激光倍频实验。对于CTGS晶体，实验获得最大绿光输出功率为5.30mW（Ⅰ类）和4.02mW（Ⅱ类），光-光转化效率分别为20.38％（Ⅰ类）和16.33％（Ⅱ类）。有效倍频系数为deff=0.44pmV-1(Ⅰ类)和deff=0.34pmV-1（Ⅱ类），二阶非线性系数x11为0.73pmV-1。
　　在同样实验条件下，对STGS晶体进行倍频实验，获得的最大输出功率分别为:3.16mW（Ⅰ类）和2.17mW（Ⅱ类），光-光转化效率分别为12.89％（Ⅰ类）和10.71％（Ⅱ类）。计算得到STGS晶体的有效倍频系数为deff=0.39pmV-1（Ⅰ类）和deff=0.24pmV-1（Ⅱ类），二阶非线性系数x11为0.72pmV-1。
　　(4)根据Nd∶CTGS和Nd∶STGS晶体的相位匹配角度制备晶体切型，进行激光自倍频实验。在Nd∶CTGS和Nd∶STGS晶体中成功实现了激光自倍频绿光输出。在Nd∶CTGS的Ⅰ类切型晶体中，得到的最大输出功率为18.8mW，Ⅱ类切型晶体的最大输出功率为4.4mW;在Nd∶STGS的Ⅰ类切型晶体中，得到的最大输出功率为9.0mW，Ⅱ类切型晶体的最大输出功率为2.0mW。
　　为了进一步提高激光自倍频输出功率，对Nd∶CTGS晶体的Ⅰ类和Ⅱ类相位匹配晶体切型进行了镀膜，开展了腔内激光自倍频实验。研究得到，镀膜后Nd∶CTGS的Ⅰ类相位匹配切型晶体，其输出功率高达72mW，Ⅱ类相位匹配切型晶体的输出功率达到33.68mW，较同类型未镀膜样品提高了近4倍。研究了镀膜样品输出功率随时间的变化，当输出功率最大时，Nd∶CTGS的Ⅰ类相位匹配切型晶体表现出良好的激光特性，30分钟内输出功率几乎保持不变，说明该晶体具有良好的工作稳定性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 激光自倍频晶体的发展现状

1．3 硅酸镓镧系列晶体在光学领域的研究概况

1．4 本论文的研究思路、内容和方法

参考文献

第二章 A3TaGa3Si2O14(A=Ca，Sr)和掺钕A3TaGa3Si2O14晶体的生长

2．1 引言

2．2 晶体生长方法

2．3 晶体生长工艺

2．3．1 掺钕A3TaGa3Si2O14(A=Ca，Sr)晶体的设计

2．3．2 多晶原料的合成

2．3．3 单晶生长过程

2．3．4 提拉法生长晶体的传热方式

2．3．5 晶体最佳生长方向

2．4 晶体的缺陷研宄

2．4．1 粘度对A3TaGa3Si2O14(A=Ca，Sr)晶体生长的影响

2．4．2 晶体的开裂

2．4．3 色心

2．5 本章小结

参考文献

第三章 A3TaGa3Si2O14(A=Ca，Sr)和掺钕A3TaGa3Si2O14晶体的结构与光学性质表征

3．1 晶体X-Ray粉末衍射

3．2 高分辨X射线衍射

3．3 X射线荧光光谱

3．4 晶体透过光谱

3．5 晶体荧光光谱

3．6 晶体折射率

3．7 本章小结

参考文献

第四章 Ca3TaGa3Si2O14和Sr3TaGa3Si2O14晶体倍频性质研究

4．1 引言

4．2 晶体光学分类

4．3 晶体相位匹配

4．3．1 相位匹配条件

4．3．2 单轴晶体的角度相位匹配

4．3．3 单轴晶体相位匹配角的计算

4．3．4 相位匹配角的计算

4．4 A3TaGa3Si2O14(A=Ca，Sr)晶体的倍频性质研究

4．4．1 A3TaGa3Si2O14(A=Ca，Sr)晶体倍频切型的设计

4．4．2 A3TaGa3Si2O14(A=Ca，Sr)晶体的倍频实验

4．4．3 A3TaGa3Si2O14(A=Ca，Sr)晶体非线性光学参数的确定

4．5 本章小结

参考文献

第五章 Nd∶Ca3TaGa3Si2O14和Nd∶Sr3TaGa3Si2O14晶体激光自倍频性质研究

5．1 引言

5．2 Nd∶A3TaGa3Si2O14(A=Ca，Sr)晶体的激光自倍频效应

5．3 Nd∶Ca3TaGa3Si2O14镀膜晶体激光自倍频效应

5．4 本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

6．1 主要工作内容

6．2 主要创新点

6．3 有待继续开展的工作

致谢

攻读硕士学位期间获得的奖励

攻读学位期间发表的学术论文和参加科研情况