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Dissertation for the Doctoral Degree in Science
GROWTH AND SPECTROSCOPIC PROPERTIES OF Er3+ AND Er3+/Yb3+ DOPED POTASSIUM LITHIUM TANTALATE NIOBATE CRYSTALS
Candidate: Li Lei
Supervisor: Prof. Zhou Zhongxiang Academic Degree Applied for: Doctor of Science Speciality: Optics
Unit: School of Science
Date of Oral Examination: June, 2011
University: Harbin Institute of Technology
摘要
随着科技的发展,利用稀土离子掺杂材料上转换性能实现短波长蓝绿激光输出在高密度光学存储、彩色显示、光电子,光刻等领域有广泛应用前景和巨大发展潜力,设计研发稀土掺杂晶体材料便成为实现短波长激光输出的关键问题。因为具有大非线性光学系数、宽非临界相位匹配范围和高抗光伤阈值等优点,钨青铜型钽铌酸钾锂单晶(K1-yLiyTa1-xNbxO3,KLTN)是一种优良的蓝光二次谐波产生(SHG)晶体。通过研究稀土离子掺杂 KLTN 单晶的上转换荧光性能来分析其作为激光晶体的可行性具有实际研究价值。本论文对 Er3+ 及 Er3+/Yb3+掺杂四方钨青铜型 KLTN 单晶的生长、基本物理性质、晶体吸收性能和光致发光性能做系统的实验和理论研究。
采用逐步冷却法摸索适合进行 Er3+掺杂 KLTN 单晶生长的组分配比和生长温度,利用提拉法并通过改进晶体生长工艺生长出 Er3+:KLTN 和 Er3+/Yb3+:KLTN 单晶。详细地描述晶体生长过程和各种工艺参数对晶体生长的影响。研究 Er3+:KLTN 单晶的基本物理性质,利用电感耦合等离子体发光光谱分析(ICP) 和能量色散谱分析(EDS)测试晶体组分;利用 X 射线衍射技术分析晶体结构; 利用差热分析法测试晶体的居里温度;利用椭偏法测试晶体的折射率,并利用赛尔迈耶尔方程拟合 Er3+:KLTN 晶体的折射率色散关系。
使用分光光度计测试晶体的紫外-可见-近红外吸收光谱,描述晶体样品 Er3+ 吸收规律,并确定晶体紫外吸收边。根据吸收光谱结合 Judd-Ofelt 理论计算晶体 JO 强度Ωt (t=2, 4, 6),并由此计算 Er3+在晶体中的自发辐射系数、能级辐射
寿命和荧光分支比等多项光谱参量。
系统地研究 800 nm 和 980 nm 波长激光激发 Er3+:KLTN 单晶上转换荧光性能。Er3+掺杂浓度升高能够提高上转换发射强度,并且红光发光强度随 Er3+掺杂浓度升高而明显增强。通过功率曲线确定上转换为双光子过程。通过发光强度衰减曲线确定绿光发射由激发态吸收(ESA)和能量转移上转换(ETU)过程完成;800 nm 激发红光发射由交叉驰豫(CR)过程完成,980 nm 激发红光发射由 ESA 和 ETU 过程完成,给出详细上转换跃迁机制。结合 980 nm