Cr:Nd:YVO4自调制激光晶体生长及性能研究

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激光二极管泵浦的全固态短脉冲激光器由于具有结构紧凑、性能稳定、寿命长、效率高、光束质量好及成本低等众多的优点,在固体激光器研究领域倍受瞩目。它在受控核聚变、等离子体物理学、高速摄像、光谱学等许多领域有着重要的应用。调Q技术是获得短脉冲激光的一种有效手段。调Q激光器中,被动调Q激光器由于具有结构简单、便于小型化以及应用范围广等特点而受到人们的广泛重视。在被动调Q激光器中,除了激光晶体以外,还需要一个非常重要的元件-饱和吸收体。目前应用较为广泛的是Cr4+:YAG,它利用Cr4+离子的饱和吸收特性进行调Q。但是,在Cr4+:YAG中,Cr4+取代了YAG基质材料的Al3+离子,在取代的过程中,由于两种离子所带的电量不同,需要进行电荷补偿,通常需要在其内部共掺入Mg2+或ca2+等离子,以使其电荷平衡,这给材料的制备和应用带来了麻烦。2007年,S.A.Zolotovskaya等人利用Cr5+取代YVO4的V5+得到了Cr:YVO4晶体,并验证了其可饱和吸收特性,由于Cr5+与V5+价态相同且离子半径相近,无需共掺其他离子使其电荷平衡,也不会使晶格出现失配。YVO4晶体同时又是一种良好的激光基质材料,Nd:YVO4因具有宽的吸收带宽,大的吸收和发射截面,偏振输出等特性,在众多的激光材料中脱颖而出,成为中小功率激光器的首选材料。如果把激活离子如Nd3+或Yb3+等与Cr5+离子同时掺入YVO4晶体,将激光晶体和可饱和吸收体合二为一,就可成为一种新型的自调Q激光材料。本论文基于以上思路,将Nd3+和Cr5+同时掺入YVO4晶体中,得到了一种新型的自调Q激光晶体,即Cr:Nd:YVO4,并对这种晶体的生长及性能进行了系统的研究,主要包括以下几方面的工作:一.Cr:Nd:YVO4晶体的生长采用高纯的NdVO4、YVO4及掺杂用的YCrO4多晶料通过熔体提拉法成功生长出了较大尺寸、较高光学质量的Cr:Nd:YVO4单晶。晶体生长是一个复杂的液固相变过程,我们结合熔体法晶体生长的规律讨论了影响晶体生长过程及晶体质量的主要因素,包括优质籽晶的选取、合理温场的设计、控制适当的生长工艺参数及生长气氛等。二.Cr:Nd:YVO4晶体的质量表征采用高分辨X射线法检验了所生长Cr:Nd:YVO4晶体的晶格完整性,结果显示其摇摆曲线没有出现宽化和劈裂,晶体具有良好的晶格完整性。利用锥光干涉法检验了晶体的光学均匀性,得到的锥光干涉条纹完整平滑,未有扭曲及杂纹出现,表明所生长的Cr:Nd:YVO4晶体具有良好的光学均匀性。采用X射线荧光分析法测量了除O外其它元素的含量,计算了它们的有效分凝系数,得到Nd和Cr的有效分凝系数为0.7899和1.3982。另外两种元素Y和V的分凝系数均接近1,即接近化学计量比。采用X射线粉末衍射法对所生长的Cr:Nd:YVO4晶体进行了结构研究,结果表明其为四方晶系,I41/amd空间群,晶胞参数为a=b=0.71121nm, c=0.62904nm。三.Cr:Nd:YVO4晶体的性质表征对Cr:Nd:YVO4晶体的密度、热学性质、光谱性质及自调Q输出特性进行了系统的表征:采用浮力法测得Cr:Nd:YVO4晶体的密度为4.236g/cm3,与其理论密度4.258g/cm3在误差范围内一致。通过热机械分析仪测得其a轴和c轴热膨胀系数分别为0.7747×10-6/K和6.5355×10-6/K,c轴热膨胀系数要远大于a轴,与Nd:YVO4类似。通过差热扫描量热仪测得Cr:Nd:YVO4晶体的比热为室温下0.501Jg-1K-1,略低于Nd:YVO4。室温时Cr:Nd:YVO4晶体的热扩散系数测得为λ11=2.194mm2/s,λ33=2.946 mm2/s;利用所测的密度、比热和热扩散系数计算得到Cr:Nd:YVO4晶体的热导率为k11-4.78 W/mKnk33=5.75 W/mK,高于玻璃的热导率。退火前后Cr:Nd:YVO4晶体室温吸收谱的测量结果表明它具有偏振吸收特性,在1100nm处的宽带吸收能够作为饱和吸收调Q开关,在808nm处有较强的吸收强度及半峰宽(11nm),有利于选择泵浦光源和提高泵浦能量的利用效率,并且晶体经过退火处理后在1100nm处的吸收强度增加,对其Q开关效果有重要影响。对Cr:Nd:YVO4晶体在两种不同激发波长下(808nm和596nm)的荧光谱的测量结果表明它们具有相同的谱线形状,只是谱线强度不同。通过配置适当的谐振腔,对不同长度的Cr:Nd:YVO4晶体样品在不同的输出镜透过率情况下进行了自调Q激光实验,在T=10%时获得了最短脉宽为85ns,最大平均输出功率为103mW的脉冲输出。
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