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激光二极管(LD)泵浦的全固态激光器是理想的新一代相干光源,因具有效率高、结构紧凑、输出稳定、寿命长等优点,近年来已成为激光发展领域最具前景的方向之一。工作物质是全固态激光器的核心,寻求适合LD泵浦的激光工作物质是提高激光器效率的关键因索,为此人们对激光基质和激活离子进行了广泛的研究。Nd:Gd3Ga5O12(Nd:GGG)晶体以其优越的力学、热学和激光性能成为LD泵浦的高功率固体激光器的优选工作物质。然而对于Nd:GGG晶体,Nd3+的有效分凝系数(0.4-0.52)显著偏离理想值(≈1),且晶体中Nd3+和Gd3+离子半径不匹配,这导致晶体中引入晶格畸变。本论文旨在对现有材料进行结构优化,以提高材料的某些性能：一方面,为了消除晶格畸变,我们在Nd:GGG晶体引入离子半径更小的Lu3+(体积补偿作用)；另一方面,为了提高Nd3+在晶体中的有效分凝系数,我们在十二面体格位掺入离子半径更大的La3+(106.1pm)。具体内容包括以下几方面：一、Nd:(LuxGd1.x)3Ga5O12(Nd:LGGG)晶体生长和性能表征采用提拉法成功生长出φ26mm×14mm Nd:LGGG晶体。通过XRF测试得到Nd3+和Lu3+在晶体中效分凝系数分别为0.50和1.32。测试了晶体的热学性质,包括平均热膨胀系数、比热、热扩散系数,根据测试结果计算得到了晶体的热导率,其室温热导率高达9.66W·m-1·K-1,优于Nd:GGG晶体,与Nd.YAG晶体的热导率相当。详细表征了晶体的室温光谱性能,最强吸收峰805nm的最大半峰宽(FWHM)达8.6nm,远大于Nd:YAG (FWHM=0.9-2.1nm),有利于LD泵浦。系统研究了Nd:LGGG晶体在1062nm的连续(CW)和被动调Q (PQS)激光性能。在连续激光运转中,最大输出功率达9.73W,相应的光光转换效率和斜效率分别为60.7%和61.2%。在被动调Q测试中,最大平均输出功率、最短脉冲宽度、最大峰值功率和单脉冲能量分别为1.24W、9.95ns、14.20kW和148μJ。二、Nd:(LaxGd1.x)3Ga5O12(Nd.LaGGG)晶体生长和性能表征采用提拉法首次生长出高质量Nd:LaGGG晶体,晶体尺寸为Φ26mm×30mm；利用粉末XRD表征了晶体结构,采用XRF测试了晶体中各离子的浓度,并根据测试结果计算得到Nd3+和La3+在晶体中的有效分凝系数分别为0.52和0.16。系统地测试了晶体的热学和光谱性能,其室温热导率为8.28W·m-1·K-1,与Nd:GGG晶体相当；采用Judd-Ofelt (J-O)理论分析了晶体的室温吸收光谱,并计算得到晶体的光谱参数。详细研究了晶体在1.33μm的CW和PQS激光性能,最大CW和PQS输出功率分别达5.1W和1.1W,显著优于Nd:GGG晶体,预示着Nd:LaGGG晶体在1.33μm有潜在的应用价值。三、探究Lu3+/La3-掺杂对Nd:GGG晶体影响的差异从晶体生长和性能两方面对Nd:LGGG和Nd:LaGGG两种晶体进行比较,结果表明Nd:LGGG晶体在热学性能方面有优势,而Nd:LaGGG晶体表现出更好的激光性能。