2-3 μm波段无序激光晶体的制备和性能表征及其在聚合物测厚方面的应用研究

作     者：唐开阳 

作者单位：四川大学 

学位级别：硕士

导师姓名：盖景刚;潘忠奔

授予年度：2021年

学科分类：081704[工学-应用化学] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070302[理学-分析化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0703[理学-化学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：晶体生长 Tm,Ho:CNGG Er:CLNGG 激光性能 激光测厚 

摘      要：激光技术在液晶显示、先进材料制备、大气探测、测绘以及医疗领域中都起到了重要的作用。目前人们对激光研究领域中的可见光,深紫外以及中红外这几个领域有着浓厚的兴趣。其中2-3μm波段的中红外激光因为在医疗和国家安全领域中的重要作用而受到了广泛的关注。本论文以2-3μm波段激光为研究方向,使用提拉法制备了两种掺杂稀土离子的无序晶体,即Tm,Ho:CNGG晶体和三种掺杂浓度的Er:CLNGG晶体。测试了Tm,Ho:CNGG晶体的晶体结构,光谱性能和连续激光性能。测试了三种掺杂浓度的Er:CLNGG晶体的晶体结构,热学性能以及光谱性能。为无序晶体在2-3μm波段的激光的实际应用提供了数据支持。搭建了以2μm波段调谐激光作为光源的测厚装置,探究了2μm波段调谐激光在聚合物测厚方面的应用。具体的内容如下:(1)使用提拉法生长了高质量,大尺寸的Tm,Ho:CNGG和Er:CLNGG晶体,并测试了其分凝系数和掺杂离子浓度。测试了晶体的XRD图谱并进行了精修,获得了晶体结构的详细信息与原子排布图。通过拉曼图谱分析了Tm,Ho:CNGG晶体阳离子空位的分布情况。(2)对Tm,Ho:CNGG和Er:CLNGG晶体进行了光谱性能的测试。吸收光谱表明Er:CLNGG晶体在970 nm处有吸收峰。在970 nm处,10 at%Er:CLNGG,15 at%Er:CLNGG以及30 at%Er:CLNGG晶体的吸收截面分别为1.93×10cm,2.07×10 cm和0.87×10 cm;且半峰宽随着掺杂离子浓度的上升而上升。荧光光谱表明随着掺杂离子浓度的上升,晶体在1.5μm波段的荧光强度下降,而在2.7μm波段荧光强度上升,这表明高浓度的离子掺杂对Er:CLNGG晶体在2.7μm波段竞争发光现象有利。在2650 nm处,10 at%Er:CLNGG,15 at%Er:CLNGG以及30 at%Er:CLNGG晶体的发射截面分别为2.11×10 cm,1.29×10 cm和0.98×10 cm。荧光寿命测试结果表明随着掺杂离子浓度上升,Er:I-I寿命差从3.49 ms(10 at%Er:CLNGG)减少至1.13 ms(30 at%Er:CLNGG)。Tm,Ho:CNGG晶体的吸收光谱表明其在786 nm处有吸收峰,吸收截面为5.4×10 cm。荧光光谱表明晶体在2080 nm处有荧光峰,发射截面为4.7×10 cm。Tm,Ho:CNGG的荧光寿命为6.80 ms。(3)对Er:CLNGG晶体的热学性能进行了表征。298.15 K时,10 at%Er:CLNGG,15 at%Er:CLNGG以及30 at%Er:CLNGG晶体的比热分别为0.640J/(g·K),0.771 J/(g·K)以及0.601 J/(g·K);热扩散系数分别为1.027 mm/s,0.997mm/s和0.821 mm/s;导热系数分别为3.26 W/(m·K),3.68 W/(m·K)和3.01W/(m·K)。(4)对Tm,Ho:CNGG晶体在2μm波段的连续激光性能和可调谐激光性能进行了表征。搭建了X型激光腔进行激光输出实验,当未插入Lyot滤波器,输出镜的透过率T=3.0%时,激光器可以输出最大功率为425 m W,波长为2083 nm的激光,此时的斜率效率为22.9%。在插入Lyot滤波器后,当输出镜透过率T=0.5%时,获得了波长为1932～2141 nm的调谐激光输出,最大功率为157 m W;当输出镜透过率T=0.2%时,获得了波长为1940～2144 nm的调谐激光输出,最大功率为78 m W;调谐激光的最大功率均在2088 nm处取得。(5)使用Tm,Ho:CNGG晶体输出的可调谐2μm波段激光作为光源对常见聚合物的厚度进行了测试。结果表明当使用可调谐的2μm波段的激光作为光源对聚合物厚度进行测试时,可以获得结构简单,误差在0.021 mm以内的透射式激光测厚装置。