中红外激光陶瓷的研究进展与展望

波段为2～5tμm的中红外激光在国防、医疗、通信等方面有着特殊的重要应用,而直接产生中红外激光的增益介质主要包括气体激光介质、半导体、稀土离子或者过渡金属离子掺杂的化合物.本文首先介绍应用于中红外波段的发光离子(包括Tm3,Ho3+,Er3+等稀土离子和Cr2+,Fe2等过渡金属离子)光谱特性,然后重点介绍氧化物(包括石榴石和倍半氧化物)和Ⅱ-Ⅵ族化合物(主要是ZnS/ZnSe)两大类中红外激光陶瓷材料的制备与激光性能.最后,对这两大类中红外激光陶瓷中存在的问题进行了分析,并对其发展方向进行了展望.     

2.1μm激光晶体Cr,Tm,Ho∶YAG的生长、光谱和激光性能

采用提拉法成功生长出了优质的Cr,Tm,Ho∶ YAG晶体,并对其光谱及激光性能进行了研究.测量了晶体在350～2700 nm波段内的吸收光谱.用450 nm激光激发,测量了晶体的稳态和瞬态荧光光谱,拟合得到2.1 μm激光上能级的寿命为10.65 ms.用F-L公式计算了晶体在2.1 μm处的发射截面为6.92×10-20 cm2,并与其他Ho3+掺杂的激光晶体进行了对比.采用氙灯泵浦Cr,Tm,Ho∶ YAG晶体棒,实现2.1 μm的脉冲输出.在3 Hz和10 Hz时的激光阈值分别为33.11 J和33.88 J,斜效率均为4.5;,比市售成熟的激光棒的激光输出效率更高.     

Tm3+/Ho3+掺杂的Gd3Ga5O12～2.0μm波段红外激光晶体的生长和性能研究

采用提拉法生长了最大尺寸为φ25mm×(30～40)mm优质透明的Tm3+:GGG、Yb3+/Tm3+:GGG、Cr3+/Tm3+:GGG、Tm3+/Ho3+:GGG和Cr3+/Tm3+/Ho3+:GGG共五种晶体.在室温下测试了这些晶体的吸收光谱、荧光光谱及荧光衰减曲线等,详细研究了光谱性能,对部分晶体进行了Judd-Ofelt理论计算,得到强度参数等重要的光谱参数.计算了～2.0μm附近荧光峰值波长处相应的能级跃迁的发射截面、量子效率等.研究表明:Yb3+和Cr3+的掺入分别使得Tm:GGG晶体在980nm附近和451 nm、628 nm附近的吸收大大增强,有利于商业激光二极管和闪光灯泵浦.在Tm激活的Tm3+:GGG、Yb3+/Tm3+:GGG、Cr3+/Tm3+:GGG晶体中,～2.0μm波段附近发射强度和发射截面值最大的峰值对应的波长为2000nm;而在Ho激活的Tm3+/Ho3+:GGG和Cr3+/Tm3+/Ho3+:GGG晶体中,发射强度和发射截面最大的峰值对应的波长为2080 nm.用氙灯抽运键合的尺寸为φ5mm×45mm Cr3+/Tm3+/Ho3+:Gd3+ Ga5 O12晶体,在2.086～2.102μm波段实现了平均功率为170 mw的激光输出.     

2.7μm激光晶体Yb,Er,Ho∶GSGG的生长与光谱性能研究

用提拉法成功生长出了Yb,Er,Ho∶ GSGG晶体,对其光谱性能进行了研究.测量了晶体在320～3000 nm波段内的吸收光谱.用970 nm激光激发,测量了晶体的稳态和瞬态荧光光谱,拟合得到2.7～3 μm激光上下能级寿命,用F-L公式计算了晶体的发射截面.与Er∶ GSGG和Yb,Er∶ GSGG晶体的光谱参数进行了比较,结果表明,Yb,Er,Ho∶GSGG是一种更适合LD泵浦,实现低阈值、高效率2.79 μm激光输出的新型激光晶体.     

Tm3+掺杂和Tm3+/Ho3+共掺2.0μm波段激光晶体研究

2.0μm波段激光在医疗、环保和军事等领域具有十分重要的用途。采用半导体激光泵浦Tm3+掺杂及Tm3+/Ho3+共掺的晶体是实现2.0μm波段激光的主要途径。本文概述了几类用于2.0μm波段激光增益材料的典型晶体,重点介绍了本课题组近年来在探索新型2.0μm波段激光晶体方面的一些研究成果。     

2.7～3 μm稀土激光晶体研究进展

本文介绍了以稀土Er3+和Ho3+为激活离子,YAG,YAP,YLF,YSGG,GSGG为基质的2～7～3μm激光晶体的特点和应用背景,展示了其中一些晶体的吸收和荧光光谱,讨论了这些晶体的能级结构、光谱和激光特性及器件研究进展,并认为提高效率和激光输出功率以及获得新的特征波长是今后2～7～3 μm激光晶体的主要发展方向.     

稀土掺杂钨酸镧钠激光晶体的生长及其性能研究

采用提拉法生长出了纯的和Nd3+、Tm3+、Dy3+、Ho3+、Pr3+离子掺杂的大尺寸优质的NaLa(WO4)2晶体.TG/DTA实验表明NaLa(WO4)2晶体在1251℃同成分熔化,热膨胀实验结果显示该晶体沿(100)和(001)方向的热膨胀系数分别为1.23×10-5K-1和2.49×10-5K-1.在室温下测量了该晶体的红外和拉曼光谱,对晶体的振动性质进行了研究.对稀土离子掺杂的NaLa(WO4)2晶体进行了光谱性质的研究.N3+:NaLa(WO4)2和Tm3+:NaLa(WO4)2晶体800 nm附近的吸收峰半高宽和吸收截面较大,有利于用LD泵浦.采用小型的氙灯泵浦,研究了Nd3+:NaLa(WO4)2晶体的激光特性.当氙灯输入能量为1.28 J时,获得14.77mJ的激光输出能量,光光转换效率为1.15;.     

Co2+,Er3+:Y3Al5O12晶体的生长及其吸收特性

应用中频感应提拉法成功生长出新型的Co2+,Er3+:Y3Al5O12晶体.研究了室温下晶体的吸收光谱性能.结合Er3+:Y3Al5O12晶体的光谱,并利用调Q判据对Co2+,Er3+:Y3Al5O12晶体调Q特性进行了简单的分析.结果表明Co2+,Er3+:YAG晶体是一种很有潜力的自调Q激光晶体.     

8～12μm长波红外非线性晶体研究进展

中长波红外3～5μm、8～12μm波段激光在红外对抗、环境监测、医疗诊断等诸多领域均有重要应用.通过非线性频率变换技术是获得中长波红外激光的主要方式,红外非线性晶体是其中的核心部件.目前,3～5μm中波红外非线性晶体已基本满足激光的应用需求.随着近年来激光波长向长波红外的拓展,以及中/长波红外多波段融合技术的发展,迫切需要性能优异的长波红外非线性晶体.论文主要对目前已知8～12μm波段的长波红外非线性晶体进行梳理,并分别从晶体性能、制备技术以及激光应用等方面综述它们的研究进展,对比分析它们在长波红外波段的应用潜质以及存在的技术瓶颈,指出长波红外非线性晶体的重点研究方向.     

稀土掺杂钨酸钆钠激光晶体的生长及性能研究

采用提拉法生长出纯的和Nd3+、Tm3+、Ho3+、Dy3+、Pr3+掺杂的大尺寸优质NaGd(WO4)2 晶体.测定了晶体沿(001)和(100)方向的热膨胀系数.测定了晶体的折射率,得到了折射率的色散方程.测量了NaGd(WO4)2 晶体的拉曼光谱,对晶体的振动性能进行研究.对稀土离子掺杂的NaGd(WO4)2 晶体进行了一系列的光谱性质研究,并进行了Judd-Ofelt理论计算.Nd3+:NaGd(WO4)2和Tm3+:NaGd(WO4)2晶体在800 nm附近吸收峰的半高宽和吸收截面较大,有利于LD泵浦.测定了不同能级的荧光寿命,发现Nd3+:NaGd(WO4)2 晶体具有较高的荧光量子效率.采用氙灯闪光灯作为泵浦源,研究了Nd3+:NaGd(WO4)2晶体1060 nm的激光特性.