论文部分内容阅读
人眼安全1.5μm波段激光在医疗、遥感探测、通讯、雷达、成像等方面具有重要的应用前景，是目前固体激光领域中研究的热点。采用高功率LD或Er3+光纤激光器谐振泵浦Er3+晶体激光器，具有量子效率高（大于90％）、废热产生少、储能大等特点，是目前实现高效、大能量、高光束质量1.5微米波段连续和高重频调Q激光输出的最佳途径。本论文提出双格位、低对称、强晶格场Er3+离子掺杂的稀土正硅酸盐晶体Er3+∶Re2SiO5(Re=Gd3+、Lu3+)和Er3+∶GYSO晶体具有Er3+离子基态能级劈裂大、量子缺陷小、1.5微米波段吸收和发射谱带宽、线偏振激光输出等特点，是一种新型高效1.5微米波段谐振泵浦激光晶体。
本论文以Er3+∶GSO，Er3+∶GYSO和Er3+∶LSO硅酸盐激光晶体为研究对象，系统开展了晶体生长、光谱性能、热学性能以及激光性能的研究工作。论文的主要研究内容以及取得的研究结果如下:
1)通过优化晶体生长方向、保温罩结构、拉速和转速等工艺参数，采用改进的提拉炉设备系统成功生长出了一系列Er3+∶GSO，Er3+∶GYSO和Er3+∶LSO等新型谐振泵浦硅酸盐激光晶体，晶体典型尺寸约为(o)35mm×40mm，Er3+掺杂浓度为0.5at％。
2)研究了Er3+∶GSO/GYSO晶体的结构、Er3+离子的分凝系数、缺陷、光谱性能和热学性能。结果表明Er3+∶GYSO晶体的结构与GSO相似;Er3+离子在GYSO晶体中的分凝系数约为k0=0.9，且发现k0随着Y3+离子浓度在GYSO晶体中增加而增加;Er3+∶GSO/GYSO晶体的最强吸收峰位于1529nm，半高宽约为6nm;4I13/2→4I15/2跃迁的荧光寿命为6.0-6.8ms。Er3+∶G0.7Y0.3SO晶体[010]方向室温下的热导率为2.7Wm-1k-1，低于纯GSO晶体[010]方向的热导率3.0W/(m·k)，且随温度的升高而降低。
3)研究了Er3+∶GSO晶体的变温光谱特性，温度不仅影响光谱的峰位和半高宽，还影响荧光寿命。当温度从10k升高到室温，Er3+∶GSO晶体的最强吸收峰从1529.4nm移动到1529.0nm，半高宽也从1.4nm展宽到5.1nm;荧光寿命从13k时的13.2ms下降到300k时的8.4ms。由低温光谱确立了Er3+∶GSO晶体的精细能级结构，其基态斯塔克劈裂值达626cm-1，零声子线为6540cm-1，并估算了Er3+离子占据GSO晶体格位1和格位2的荧光强度比约为17:1。
4)研究了Er3+∶LSO晶体的结构、分凝系数、光谱性能、热学性质和激光性能。Er3+∶LSO晶体在1485nm处的吸收截面为0.72×1020cm2，半高宽达12.5nm，有利于高功率宽带LD泵浦。Er3+∶LSO晶体[010]晶向的热导率随温度的升高而降低，在常温下Er3+∶LSO晶体[010]晶向的热导率为5.3Wm-1k-1。用1536nm的连续激光泵浦Er3+∶LSO晶体，首次实现了1.6μm的谐振泵浦激光输出，斜率效率为16％;输入功率为4.5W时，获得了600mW的最大输出功率。
5)研究了Er3+∶LSO晶体四个近红外跃迁通道(中心波长位于864nm、979nm、1230nm和1522nm)发射强度的温度特性。其中864nm和1230nm两个跃迁通道的发射强度在12-97k温度范围内，随着温度的升高而增加;在97-287k温度范围内，其发射强度随温度的升高而减小。979nm跃迁通道的发射强度随温度的变化规律与之相似，出现极大值的温度为117k，而1522nm跃迁通道的发射强度随温度的升高而单调增加，并用多声子无辐射跃迁理论解释了这一现象。