单斜Nd:LaVO_4晶体的生长和特性研究
【摘要】激光现在已经广泛应用于工业、军事、通信和医疗等众多领域,并带动了许多新兴学科的发展,现在它已经在我们的日常生活中发挥越来越重要的作用。激光器一般由三部分组成:工作物质、激励能源、光学共振腔。激光工作物质是激光器的核心部分,产生激光的介质有气体、液体和固体等。固体激光物质主要以激光晶体为主,以稀土为激活离子的晶体被广泛研究。随着激光二极管(LD)技术的发展,LD泵浦的固体激光器具有泵浦效率高,方向性和单色性好等特点。因此寻找适合LD泵浦的激光晶体成为研究热点。开始主要集中在对高对称性立方晶系和中对称性四方晶系的激光晶体的研究,其中Nd:YAG和Nd:YVO4现在已经商业化。但是Nd3+离子在这两种晶体中对LD泵浦波长的吸收带较窄,又难以获得更大的掺杂浓度。后来人们又对Nd:GGG,Nd:YVO4,Nd:GdVO4,Nd:LuVO4和Yb:YVO4等激光晶体进行了深入研究,从生长成本和综合性能上都不如上面两种晶体。近些年人们开始探索研究低对称激光晶体,像Nd:YCOB,Nd:GdCOB,Nd:KLu(WO4)2等,由于晶体的对称性降低,使得晶体的吸收光谱展宽,适合LD泵浦,但是它们的热学性质较差。LaVO4晶体在钒酸盐晶体中比较特殊,常温下是单斜的独居石结构,具有低对称性,其各向异性结构在光学上必然有其独特的性能。因此值得我们对LaVO4晶体进行深入的研究。1976年用熔盐法生长了LaVO4晶体,并对晶体结构进行了分析,发现晶体是与CePO4相同的独居石结构。此后很长时间没有关于LaVO4晶体的相关报道,至到2004年首次采用提拉法生长了Nd:LaVO4晶体,发现晶体在808nm处的半峰宽(FWHM)为20nm,Nd3+离子的荧光寿命为137μs,适合作为激光晶体。2006年用X粉末衍射对LaVO4结构重新进行了分析,证明晶体的空间群确实为P21/n(14)。同年用提拉法生长出Yb:LaVO4晶体。2009年又对Nd:LaVO4晶体生长中遇到的螺旋生长,以及晶体形貌进行了研究,2010年利用第一性原理对四方和单斜结构的LaVO4的能带和光谱进行了计算。同年Gavrichev等研究了LaVO4的比热和热力学函数。2012年又用浮区法生长出Nd:LaVO4晶体,掺杂浓度为5at.%,Nd3+离子的荧光寿命为80μs,并对折射率进行了定向。2013年用固相反应合成LaVO4晶体,对其结构进行了分析,测量了拉曼光谱。2010年首次报道了在Nd:LaVO4晶体中实现了1.064μm的连续激光输出,最大输出功率为45mW。可见对于LaVO4晶体的生长和研究不多,这主要是它是单斜晶体,而且较难生长,也没有对其进行很好地系统的研究。基于此,本论文系统的研究了Nd:LaVO4晶体生长、光学、热学和激光等性能,主要工作如下:1、Nd:LaVO4晶体的生长和结构采用提拉法生长出Nd:LaVO4晶体,并对影响晶体生长的因素和晶体生长过程中出现的螺旋问题进行了讨论。利用X射线粉末衍射得到晶体的结构,获得其晶胞参数,用浮力法对晶体的密度进行了测量,结果为5.07g/cm3与理论密度(5.061g/cm3)相近。对单斜晶体中不同的坐标系与晶体的结晶学轴之间的相互关系进行了详细的说明。2.Nd:LaVO4晶体折射率的测量利用最小偏向角法测量了晶体的折射率,计算了折射率主轴与结晶学轴之间的关系,拟合了随波长的变化关系:18.69643-7.39838λ+2.63972λ2,在测量波长范围内,有2.7。左右的旋转。计算了光轴角,晶体为正光性双轴晶,计算了光轴角随波长的变化关系。用Sellmerier方程拟合了折射率随波长的变化,拟合计算结果与测量结果比较吻合。3、Nd:LaVO4晶体光谱性质研究利用菲涅尔方程证明对于六方,四方,正交和三方各向异性的晶体可以在折射率主轴下测量连续波长偏振光的吸收。但是对于单斜晶体,复介电常数的实部ε二阶张量在折射率(介电)主轴下是对角化的,而虚部8’是非对角化的,吸收主轴和荧光主轴与折射率主轴存在一定夹角,复介电常数ε的虚部对于吸收来说只有在吸收主轴下是对角化的,对于荧光来说只有在荧光主轴下是对角化的,而且单斜晶体的折射率主轴有可能随波长发生变化。因此对于单斜晶体,不能像四方、正交等晶系的晶体一样在介电主轴下测量连续波长的偏振吸收。测量了Nd:LaVO4晶体沿不同方向的吸收光谱,在808nm处的半峰宽(FWHM)达到17nm,可能是由于La离子周围有9个配位O离子,而Nd离子在NdVO4晶相时周围有8个配位O离子,当Nd离子掺杂到LaVO4时,部分La离子被Nd离子取代,对于Nd离子,有从9配位向8配位转化的趋势,从而导致晶格场的振动和光谱的非均匀展宽。用Judd-Oflet(J-O)理论分析了光谱参数,晶体的三个唯象参数分别为:Ω2=2.142×10-20cm2,Ω4=3.704×10-20cm2,和Ω6=2.948×10-20cm2,808nm处的吸收截面为1.67×10-20cm2,并与其它晶体进行了比较。测量了Nd:LaVO4晶体荧光光谱和荧光寿命,测得的荧光寿命为154.90μs,荧光效率为80.1%。大的荧光量子效率说明晶体中的非辐射跃迁几率小。4、Nd:LaVO4晶体的拉曼光谱研究从因子群方法和位置对称性方法两个方面计算了Nd:LaVO4晶体的简正振动模式的对称性分类为:18Ag+18Bg+18Au+18Bu。共有72个简正模,与24个原子的运动自由度相等。测量了不同偏振配置Z(YY)Z和Y(ZX)Y下的拉曼光谱,对观测到的拉曼峰分内振动和外振动进行了详细的指认,钒酸根离子VO43-的内振动在晶体场中其晶格振动峰与溶液状态下有所变化,表明在晶体中四面体结构有畸变。不同配置下最强峰857cm-1和819cm-1的半峰宽分别为7.6cm-1和8.6cm-1,弛豫时间分别是1.39ps和1.23ps,说明Nd:LaVO4可作为拉曼激光晶体。半峰宽小说明晶体具有良好的结晶度,与有畸变并不矛盾,因为峰的位置与短程有序有关,而半峰宽与结晶度,缺陷,粒子尺寸等有关。5、Nd:LaVO4晶体的热学性质研究系统的研究了晶体的热学性质:比热、热膨胀、热扩散和热导率。计算了密度随温度的变化关系。对热扩散和热导率进行了主轴化,并计算了它们随温度的变化关系,室温下三个主轴热导率系数分别为:2.731W/m-K,2.966W/m·K,3.388W/m-K,具有最大热导率的主轴方向为沿c方向逆时针旋转19.82°。并且随温度的升高这个角度是不断变化的。利用热导率随浓度变化模型,计算出Nd:LaVO4晶体的主轴热导率随掺杂浓度变化关系,发现随着浓度的增加热导率变化较小,与质量方差变化较小有关。6、Nd:LaVO4晶体的激光研究实现了Nd:LaVO4晶体沿Y和Z切晶体的连续激光输出,Z切晶体的阈值功率是0.21W,最大输出功率是3.05W,斜效率是34.4%,光光转化效率是33.3%。Y切晶体的阈值功率是0.14W,最大输出功率是3.56W,斜效率是41.4%,光光转化效率是40.3%。利用被动调Q技术在Y切晶体实现了最大重复频率为14.6kHz,最小脉冲宽度为10.9ns,最大脉冲能量为38.3μJ,最高峰值功率为3.52kW的脉冲激光。
【作者】孙尚倩;
【导师】张怀金;
【作者基本信息】山东大学,材料学,2014,博士
【关键词】晶体生长;折射率测量;光学性质;热学性质;拉曼散射;激光;
【参考文献】
[1]韩立新,阳雪林,谢立,陈道蓄.一种提高WEB信息检索系统查准率的新方法[J].情报学报,2002,05:524-531.
[2]酒泉.进展性脑梗死相关危险因素分析[D].吉林大学,临床医学(专业学位),2013,硕士.
[3]王玉.初中化学教育数码产品的交互设计研究[D].广东工业大学,工业设计,2014,硕士.
[4]黄艺佳.核酸—配体分子对接方法的研究[D].华东理工大学,药学,2014,硕士.
[5]范程欣.斯特拉文斯基《钢琴练习曲》Op.7演奏技术及音乐分析[D].武汉音乐学院,音乐与舞蹈学,2013,硕士.
[6]袁丽卿.双Y永磁无刷直流电动机的设计和仿真研究[D].浙江工业大学,2005.
[7]王喆,周春光,周东滨,管恩政.双层结构的流数据聚类算法[J].吉林大学学报(理学版),2005,03:303-307.
[8]许璐.B2C移动商务消费者信任影响因素及测度研究[D].北京化工大学,管理科学与工程,2013,硕士.
[9]刘聪.锅炉快速控制原型开发及PID参数自整定方法研究[D].太原科技大学,控制理论与控制工程,2014,硕士.
[10]张臻珍.基于多层次图像分割的物体级显著性识别[D].大连理工大学,基础数学,2013,硕士.
[11]要晓静.甘草附子汤化学成分分析[D].吉林大学,药物分析学,2013,硕士.
[12]周爱明.中小民营企业技术创新团队胜任力与创新绩效的关系研究[D].浙江大学,2007.
[13]胡正权.旋转条件下小孔流量系数数值研究[D].南京航空航天大学,航空宇航推进理论与工程,2013,硕士.
[14]杨慧.功能化电纺丝复合纳米纤维的制备及其在药物负载和环境分析中的应用[D].西南大学,分析化学,2014,硕士.
[15]李宁宁.高分子纳米复合材料拉伸及压缩的分子动力学模拟[D].中国科学技术大学,高分子化学与物理,2014,硕士.
[16]余建朋.明胶废水稳定SBR生物脱氮组合工艺研究[D].重庆大学,环境科学,2003,硕士.
[17]刘志恒.对青奥会认知与期望的调查研究[D].河北师范大学,体育教育训练学,2012,硕士.
[18]董丽辉.固定化细胞生物转化半纤维素水解液生产木糖醇[D].浙江工业大学,生物化工,2004,硕士.
[19]刘海平.基于小波包与BP神经网络的结构损伤识别研究[D].青岛理工大学,建筑与土木工程,2013,硕士.
[20]张静,李先波,李科,欧烨.基于脚本语言的智能程序化操作方案[J].电力系统自动化,2012,06:112-115.
[21]李玉娟.Cu-Al合金薄板内氧化法制备块体Cu-Al_2O_3复合材料[D].河南科技大学,材料工程(专业学位),2014,硕士.
[22]孟梦,邵春福,曾静靖,张杰.组合出行模式下多方式交通流分配模型及算法[J].吉林大学学报(工学版),2014,01:47-53.
[23]石磊.达县网上行政审批系统的设计与实现[D].电子科技大学,软件工程(专业学位),2012,硕士.
[24]武美霞.温和条件下催化合成纳米镧系金属氢化物及纳米NaH高活性研究[D].辽宁师范大学,物理化学,2003,硕士.
[25]尹飞.癌症基因数据的降维算法研究与应用[D].苏州大学,精密仪器及机械,2013,硕士.
[26]赵亮.应用型人才培养处方教学模式研究[D].西南大学,课程与教学论,2014,硕士.
[27]王玉方.非球面光学玻璃透镜超精密模压成形数值模拟[D].湖南大学,机械制造及其自动化,2011,硕士.
[28]宋晓晴.视网膜下腔移植骨髓间充质干细胞对光损伤视网膜保护作用的研究[D].福建医科大学,眼科学,2014,硕士.
[29]肖英.大学生思想政治教育中的审美教育研究[D].湖南师范大学,思想政治教育,2014,硕士.
[30]王梓霖.大连市惩治和预防腐败问题研究[D].大连海事大学,马克思主义理论,2013,硕士.
[31]叶寅.重庆都市圈经济发展的空间差异与优化对策研究[D].西南大学,区域经济学,2014,硕士.
[32]李静.水彩在插画中的应用探究[D].湖南师范大学,美术(专业学位),2014,硕士.
[33]沈莎莎.服务型政府视角下中小城市环境治理存在的问题及其对策研究[D].湖南师范大学,行政管理,2013,硕士.
[34]李翔,陈增强,袁著祉.混沌机制在T-S模型模糊神经网络的系统辨识研究[J].控制与决策,2001,04:504-506.
[35]阳春华,沈德耀,吴敏,刘健勤.焦炉配煤专家系统的定性定量综合设计方法[J].自动化学报,2000,02:226-232.
[36]吴涛.2012年湖南省大学生体育舞蹈竞赛活动实施方案[D].湖南师范大学,运动训练学(专业学位),2013,硕士.
[37]吴静清.贵阳市高新技术企业知识产权状况及对策研究[D].天津大学,公共管理,2013,硕士.
[38]郝志琴.YX公司人员流失的原因及对策研究[D].西北大学,工商管理(专业学位),2012,硕士.
[39]宋杰,蔡晓波,谢园,杨辉,郭兴忠.铁尾矿微晶玻璃的制备与性能[J].新型建筑材料,2014,S1:58-60.
[40]武星星.神经网络解决机械加工误差复映的应用研究[D].吉林大学,机械电子工程,2004,硕士.
[41]焦伟伟.论我国刑事和解制度的构建[D].南京师范大学,法律,2012,硕士.
[42]周国彬.畜禽养殖业环境管理系统开发及污染防治对策研究[D].大连海事大学,环境科学,2004,硕士.
[43]李素萍.纳米ZnO对SBR系统活性污泥活性及硝化作用的影响[D].哈尔滨工业大学,环境科学与工程,2014,硕士.
[44]鞠欢.主体功能区战略下的湖北省环境保护政策优化研究[D].湖北工业大学,政治学理论,2014,硕士.
[45]盘文超.湖湘地区城市湿地公园建筑小品设计研究[D].湖南师范大学,设计艺术学,2013,硕士.
[46]段若玲.我国金枪鱼渔业发展现状及其开发前景[J].现代渔业信息.1989(Z1)
[47]刘超.天津陈塘庄热电厂迁址水资源研究[D].天津大学,水利工程,2013,硕士.
[48]黄维纲.一个实用的中小型企业管理信息系统软件开发环境[J].冶金自动化,1990,06:17-20.
[49]邹璘.后金融危机时代中国房地产业危机管理研究[D].南京财经大学,企业管理,2012,硕士.
[50]李冠军.货币供应量作为我国现行货币政策中介目标的适宜性研究[D].华侨大学,数量经济学,2004,硕士.
- 下一篇: 低油价对上游的影响及对策建议
- 上一篇: 美国新闻署对苏文化冷战行为研究(1953-1961)