稀土掺杂石榴石晶体中Yb离子敏化作用的研究开题报告

1. 研究目的与意义

用固体激光材料作为工作物质的激光器。工作介质是在作为基质材料的晶体或玻璃中均匀掺入少量激活离子。固体激光器在军事、加工、医疗和科学研究领域有广泛的用途。它常用于测距、跟踪、制导、打孔、切割和焊接、半导体材料退火、电子器件微加工、大气检测、光谱研究、外科和眼科手术、等离子体诊断、脉冲全息照相以及激光核聚变等方面。固体激光器还用作可调谐染料激光器的激励源。

固体激光器的发展趋势是材料和器件的多样化，包括寻求新波长和工作波长可调谐的新工作物质，提高激光器的转换效率，增大输出功率，改善光束质量，压缩脉冲宽度，提高可靠性和延长工作寿命等。

yag，是钇铝石榴石的简称，化学式为y₃a_l5o₁₂，是由y₂o₃和al₂o₃反应生成的一种复合氧化物，属立方晶系，具有石榴石结构。石榴石的晶胞可看作是十二面体、八面体和四面体的链接网。其中我们主要看yb:yag。yb:yag是三价镱离子(yb3 )掺入钇铝石榴石（yag）基质中形成的一种产生1.03um近红外激光的激光晶体，其与nd:yag属于同一种基质，但由于掺杂不同而导致生长工艺有所不同。掺镱yag由于量子效率高（91%），晶体光谱简单，无激发态吸收和上转换，且无荧光浓度猝灭，掺杂浓度高(可达30at.%以上)，有较长的荧光寿命（0.91ms），吸收带带宽(18nm)比nd:yag的(4nm）宽得多，能与二极管的泵浦波长有效耦合。在相同的输入功率下，yb:yag泵浦生热仅为nd:yag的1/4。而且yag基质的物化特性综合性能最为优良，所以yb:yag已成为最引人注目的固体激光介质之一，ld泵浦的高功率yb:yag固体激光器成为新的研究热点，并将其视为发展高效、高功率固体激光器的一个主要方向。工业用激光设备如：激光打标机、激光雕刻机、激光焊接机、激光划片机、镭雕机、激光打孔机等都是采用yb：yag激光棒的。

2. 研究内容和预期目标

稀土掺杂光学材料在信息处理、光纤通信、激光技术、医学等领域有着广泛的应用。在稀土离子中， tm³ 离子被认为是用于近红外光器件和上转换固体激光器的优异稀土离子。er³ 离子由于可以发出绿光和1550nm的光，在显示领域和光通信领域有重要应用。yag基质由于良好的物理和机械性能，成为首选的基质晶体。但tm³ 离子和er³ 离子的吸收截面非常小，很难进行有效的泵浦。研究人员发现在tm:yag晶体和er:yag中掺入稀土yb³ 离子作为敏化剂，可有效的吸收泵浦光，进而实现光的发射。本课题主要研究yb,tm共掺yag晶体和yb,er共掺yag晶体。通过研究晶体的光谱性能从而理解yb离子的敏化作用，为其在近红外光器件和光通信器件中的应用提供理论依据。

具体内容如下：

（1）采用提拉法生长掺杂浓度yb离子5at.%,tm离子4at.%的yb,tm:yag单晶体和yb离子5at.%,er离子0.5at.%的yb,er:yag单晶体。

3. 研究的方法与步骤

一、提拉法生长晶体：提拉法又称直拉法，丘克拉斯基(czochralski) 法，简称cz法。它是一种直接从熔体中拉制出晶体的生长技术。提拉法的原理:首先将待生长的晶体的原料放在耐高温的坩埚中加热熔化，调整炉内温度场，使熔体上部处于过冷状态;然后在籽晶杆上安放一粒籽晶，让籽晶下降至接触熔体表面，待籽晶表面稍熔后，提拉并转动籽晶杆，使熔体处于过冷状态而结晶于籽晶上，并在不断提拉和旋转过程中，最终生长出圆柱状的大块单晶体。提拉法的工艺步骤可以分为原料熔化、引晶、颈缩、放肩、等径生长、收尾等几个阶段。提拉法晶体生长工艺有两大应用难点:一是温度场的设置和优化;二是熔体的流动和缺陷分析。在复杂的工艺条件下，实际生产需要调整的参数很多，例如坩埚和晶体的旋转速率，提拉速率等。因此实际中熔体的温度场和流动模式也更复杂。这两大应用难点对晶体生长的质量和效率都有很大影响，是应用和科研领域中最关心的两个问题。通常情况下为了减弱熔体对流，人为地引入外部磁场是-种有效办法，利用导电流体在磁场中感生的洛伦兹力可以抑制熔体的对流。常用的磁场有横向磁场、尖端磁场等。引入磁场可以在--定程度上减弱对流，但同时磁场的引入也加大了仿真模拟的难度，使得生长质量预测变的更难，因此需要专业的晶体生长软件才能提供可靠的仿真数据。晶体提拉法有以下优点:(1)在晶体生长过程中可以直接进行测试与观察，有利于控制生长条件；(2)使用优质定向籽晶和“缩颈”技术，可减少晶体缺陷，获得优质取向的单晶；

二、研究yb,tm共掺yag晶体和yb,er共掺yag晶体单晶体的xrd谱，分析晶体结构及性能。

（1）对材料进行x射线衍射测试。

4. 参考文献

[1] 黄同德，姜本学，吴玉松，等. yb³ , er³ :yag透明陶瓷的制备和1.5μm 波段光谱性能研究[j].物理学报，2009,58(2):1298-1304

[2] 宋平新, 赵志伟, 徐晓东，等.tm: yag晶体的研究进展[j].人工晶体学报，2005，34(1): 130-135.

[3] 黄莉蕾. yb, er:yag 中能量上转换过程研究 [ j]. 光学学报, 2000, 20( 9): 1277-1282

5. 计划与进度安排

1．2022.12. 26～2022.2.24 学生与指导老师见面，根据指导老师的建议查阅文献资料；

2．2022.2.25～2022.3.10 开学后，向指导老师汇报情况，并根据任务书写出开题报告；

3．2022.3.11～2022.5.5学生根据调研资料和指导老师要求进行实验，并进行数据分析，及时与教师交流实验进展，及时解决出现的问题；