【摘 要】
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可见光波段（400 nm-760 nm）激光在人们日常生活中有广泛的应用,例如激光头灯、医学手术、投影仪以及数据存储等方面,除此之外,它在新一代显示技术、显微镜、可见光通讯以及其他方向科研等领域也有着重要的应用价值。随着蓝光激光二极管（LD）泵浦源商用化的日益深入,直接泵浦稀土离子掺杂激光晶体获得可见光激光输出引起了一些研究人员巨大的研究兴趣。目前,可见光稀土离子的研究重点主要集中在Sm3+,Dy
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可见光波段（400 nm-760 nm）激光在人们日常生活中有广泛的应用,例如激光头灯、医学手术、投影仪以及数据存储等方面,除此之外,它在新一代显示技术、显微镜、可见光通讯以及其他方向科研等领域也有着重要的应用价值。随着蓝光激光二极管（LD）泵浦源商用化的日益深入,直接泵浦稀土离子掺杂激光晶体获得可见光激光输出引起了一些研究人员巨大的研究兴趣。目前,可见光稀土离子的研究重点主要集中在Sm3+,Dy3+,Tb3+,Pr3+等。稀土离子的光谱特性对它所处的局域格位结构有强烈依赖属性,要求基质晶体具有高度的结构无序性。CaYAlO4晶体属于四方晶系并且具有无序结构,与K2Ni F4同构,物化性能良好,声子能量较低,抗光损伤阈值高,是优异的基质材料。在此基础上,本论文开展了Sm3+,Dy3+,Tb3+掺杂的CaYAlO4可见光激光晶体的生长和光谱研究。具体研究工作包括以下几个方面:（1）采用提拉法生长了2at%Sm3+掺杂的CaYAlO4晶体,对晶体开展了室温偏振吸收谱、偏振荧光谱、荧光衰减曲线、变温荧光谱等测试,基于Judd-Offelt（J-O）理论对光谱性能开展了深入研究,计算了一系列的光谱参数,其中晶体在408 nm处的σ和π偏振吸收截面分别为4.09×10-20 cm~2和2.43×10-20 cm~2;J-O强度参数Ω2、Ω4、Ω6分别为2.7×10-20 cm~2,4.15×10-20 cm~2和4.12×10-20 cm~2;π偏振在发射峰（601 nm）处的发射截面为10.06×10-22 cm~2;~4G5/2能级的荧光寿命为0.83 ms,量子效率为58.5%。结果表明Sm3+:CaYAlO4晶体是优异的黄光激光晶体。（2）为了优化课题组前期生长的2at%Dy3+:CaYAlO4晶体的光谱性能,采用共掺杂退激活离子Tb3+的方法,生长了2at%Dy3+/0.5at%Tb3+:CaYAlO4晶体,开展了系列光谱研究。结果表明,双掺晶体在300-500 nm波段有强烈的吸收,由于Tb3+的退激活作用,在抽出Dy3+上下能级能量的同时,未减少晶体在453 nm处的吸收截面,且对582 nm处的发射截面有略微加强。由于Dy3+掺杂浓度的增加,上能级~4F9/2荧光寿命有所增加。同时下能级~6H13/2荧光寿命为0.023 ms,Dy3+与Tb3+下能级能量传递效率较高,达到了39.47%。共掺杂Tb3+更加有利于实现上下能级粒子数的反转,有利于激光运转。（3）生长了10at%Tb3+:CaYAlO4和10at%Tb3+/0.6at%Pr3+:CaYAlO4晶体,测定了晶体的室温偏振吸收谱、偏振荧光谱、荧光寿命衰减曲线、变温光谱等,基于J-O理论计算获得一系列光谱参数。分析了敏化离子Pr3+对荧光发射强度和荧光寿命的影响和Tb3+和Pr3+的能量传递过程。结果表明:Tb3+:CaYAlO4晶体在487 nm处有相对较强的吸收,适合Al Ga As LD泵浦,峰值波长位于546 nm,588 nm附近的可见光发射带具有较大的发射截面。掺杂Pr3+敏化后,Tb3+/Pr3+:CaYAlO4晶体对泵浦光的吸收有所增强,然而一定程度上减弱了晶体可见光波段的发射。由于Tb3+浓度较高,Tb3+将自身吸收的泵浦能量传递给Pr3+,与预期反向的能量传递过程使得Tb3+在可见光波段发射略微减弱,荧光寿命也有所减弱。通过微下拉法生长了不同浓度的Pr3+与10at%Tb3+的CaYAlO4单晶光纤,对比了它们的室温荧光光谱,结果表明双掺样品的荧光强度随着Pr3+浓度的升高而降低。本论文的研究结果表明,通过共掺Pr3+可加强Tb3+对泵浦光的有效吸收,但不能同时加强Tb3+在可见光波段的发射。测量了Tb3+:CaYAlO4和Tb3+/Pr3+:CaYAlO4晶体的变温荧光谱,结果表明两种晶体的荧光光谱都具有较好的热稳定性。以上研究表明Sm3+:CaYAlO4,Dy3+/Tb3+:CaYAlO4,Tb3+:CaYAlO4和Tb3+/Pr3+:CaYAlO4晶体有望应用于商用蓝光LD泵浦的可见光激光系统。
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