铝酸钇基质中Tm离子的红外发光性能研究开题报告

1. 研究目的与意义

2μm波段激光对人眼安全，容易获得高质量的光束，由于水分子对2μm波段的光波有较强的吸收，这使得2μm波段激光在军事雷达、医疗卫生、环境保护等方面有重要的应用价值。在医学上，光纤传导的2μm激光可用来做手术刀，由于2μm波段激光对人眼安全，对人体组织穿透深度浅，手术精度高，因而逐渐比1μm激光获得了更多的青睐。在环境监测上，2μm激光可用来测量大气中的水蒸气和 co₂含量，用相干多普勒雷达测量风切变和风速。在军事上,由于2μm波段激光对大气和烟雾穿透能力强，因而用来做激光测距和激光雷达；此外，随着军用光电探测系统的红外探测波段覆盖到3~5μm和8~12μm，相应的干扰激光源需求愈加迫切，为了获得这些波段的激光输出，有效的办法就是以2μm波段激光为抽运源，通过光参量振荡器方式来实现。

在 2μm波段激光晶体中，研究较多的是以钇铝石榴石(yag)为基质的晶体，然而yag是具有立方晶系结构的晶体，在作为大功率激光工作物质的基质时，yag通常因受热负荷在晶体中引起应力双折射而降低转换效率。自20世纪60年代末以来，铝酸钇(yap)成为人们关注的氧化物激光介质与yag基质一样，yap也是y₂o₃-al₂o₃二元体系中的一个化合物，具有畸变的钙钛矿结构，属于正交晶系，晶格常数a=0.5329nm,b=0.7370nm,c=0.5179nm.yap所具有的各向异性特征可抑制由于热负荷引起的双折射效应。tm:yap晶体光谱和输出特性的研究结果表明，tm:yap晶体性能优于tm:yag和tm:ylf晶体。tm:yap具有参杂浓度高、发射截面大、偏振激光输出及阈值低、荧光寿命长等优点，适于ld泵浦，符合固体激光器的发展趋势，是具有潜在用途的激光材料。此外，相比于tm:liyf₄晶体、tm:liluf₄晶体等氟化物晶体，tm:yap晶体的热导率高，物化性能稳定，可以获得大尺寸高质量晶体，在激光效率等方面具有优势。

由于自猝灭机理，相邻tm离子间存在交叉驰豫过程。tm³ 离子吸收泵浦辐射被从基态³h₆激发到³h₄能级，处于³h₄能级的tm³ 离子通过自猝灭过程衰变为³f₄态，同时释放出一个光子将另一个³h₆态的tm³ 离子激发到³f₄能级上(横向弛豫过程)。如果没有其他种类的激活离子，这两个³f₄能级的tm³ 离子将衰变到基态，放出1.99m左右的激光。也就是tm:yap在³h₆到³h₄能级跃迁中上能级吸收一个泵浦光子时，产生2个激射光子。这使得tm:yap激光器潜在的量子效率较高。

2. 研究内容和预期目标

红外波段激光器特别是2μm固体激光器由于对人眼安全,并且水对该波段有较强的吸收,因而在测距、激光雷达、遥感以及医疗等方面具有广阔的应用前景。tm³ 具有与商用二极管匹配良好的吸收峰,且发光峰在2μm波段，因此掺tm³ 固体激光器是近年来2mm激光器研究的重点方向之一。铝酸钇（yap）晶体具有优异的热力学性能，热导率与常见的yag晶体接近，并且具有能抑制激光运转过程产生的热致双折射效应以及输出偏振激光等优点。本毕业论文以掺tm³ 的铝酸钇晶体为主要研究对象，研究不同tm掺杂浓度的tm:yap晶体的发光性能，为红外波段固态激光器的研究提供一定的理论依据。

具体要求如下：

（1）采用提拉法生长高质量的tm³ 掺杂浓度为1at%、3at%、5at%和15at%的tm:yap晶体。

3. 研究的方法与步骤

1.tm:yap晶体采用中频感应加热提拉法生长。

（1）原料为高纯al₂o₃(99.995%)、y₂o₃(99.999%)和tm₂o₃（99.999%）。各原料经称配、研磨混合均匀后，压制成块，再经1300℃烧结12h，烧结好的原料置于干燥箱内备用。

（2）铱坩埚尺寸为Φ66mm×45mm，一次投料约590g，选用优质b轴取向yap晶体作籽晶。晶体的提拉速度为1~2mm/h，转速为15~25r/min，控制凸界面生长，所有晶体生长都经过缩颈、放肩、等径、收尾及降温等工艺过程，降温速率为25~80℃/h。整个生长周期约需5天。

4. 参考文献

[1]陆燕玲，王俊. 2μm波段激光晶体研究进展[j].无机材料学报，2005，20(3):513-521.

[2]杨扬，陆燕玲，王俊，等. 2μm波段激光晶体tm:yap的生长缺陷[j].人工晶体学报，2007，36(1):114-118

[3]陆燕玲,王俊,杨扬，等.tm:yap 激光晶体的生长[j].上海交通大学学报，2006，40(5):864-868.

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；