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直接输出蓝、绿光的自倍频激光器具有结构紧凑和效率高等优点,因而在高密度光存储、水下通讯、彩色显示等领域具有广泛的应用前景。La2CaB10O19(LCB)具有透过范围宽、倍频效应大、抗光损伤阈值高,以及良好的物理化学性质,是一种新型的非线性光学晶体。LCB晶格中La3+有可能被其它稀土激活离子部分取代,而晶格不发生明显变化,形成激光自倍频晶体。为此,本文进行了掺稀土离子LCB(RE:LCB)的晶体生长、基本性质、光谱特性研究,还进行了Nd:LCB晶体的自倍频和双频激光实验。
1.采用助熔剂法生长了四种不同掺杂浓度的Nd:LCB晶体,测定了Nd3+离子的浓度,计算出了它们分凝系数为keff≈0.5。测试了四种不同浓度的Nd:LCB晶体的非偏振吸收光谱,对它们进行了比较,讨论了光谱中主要吸收的应用价值,并计算了它们的吸收截面。
2.生长得到了掺杂浓度为15％的Yb:LCB晶体。分析了Yb:LCB晶体中Yb3+离子的浓度,并计算其分凝系数为0.18,远小于Nd:LCB晶体。用同步辐射白光X射线形貌术和光学显微法分析了Yb:LCB晶体的缺陷,得出结论,Yb:LCB晶体中的缺陷主要是位错和生长晶界；晶体内部很容易出现镶嵌结构形成的晶界,位错束主要成核于其中粗大的晶界。分析其可能的形成因为是离子半径差别过大引起的。硝酸腐蚀实验说明,这些位错在晶体表面的露头点易被腐蚀。另外,由于晶体沿b轴方向的极性不同,在实验中观察到了与LCB晶体类似的结果,即在(010)和(0(1)0)两个面上呈现不同的腐蚀形貌。
3.首次生长得到了掺杂浓度为3％的Ho:LCB晶体。用X-射线粉末衍射分析了晶体的结构,结果表明Ho:LCB晶体的结构与LCB相同,分析了Ho:LCB晶体中Ho3+离子的浓度,并计算其分凝系数分别为keff(Ho3+)=0.58。测试了Ho:LCB的吸收光谱和荧光光谱。根据Judd-Ofelt理论,计算Ho:LCB晶体中Ho3+离子能级跃迁的谱线强度S(J→J)并拟合了唯象强度参数Ωt(t=2,4,6),它们的值分别是Ω2=4.02×10-20cm2,Ω4=3.43×10-20cm2,Ω6=2.24×10-20cm2。通过计算得到的唯象强度参数值,计算了Ho3+离子的辐射跃迁几率Ar、辐射寿命τr、荧光分支比βc。用Ho:LCB晶体中,Ho3+离子的跃迁几率Ar与其它两种材料中的Ho3+离子进行了比较,结果表明Ho:LCB晶体中Ho3+离子的跃迁几率Ar高于Ho:LaF3,略低于Ho:YAlO3。
4.首次生长得到了掺杂浓度为3％的Pr:LCB晶体。用X-射线粉末衍射分析了晶体的结构,结果表明Pr:LCB晶体的结构与LCB相同,分析了Pr:LCB晶体中Pr3+离子的浓度,并计算其分凝系数分别为keff(Pr3+)=0.63。根据修正的Judd-Ofelt理论,计算了Pr:LCB晶体中Pr3+离子能级跃迁的谱线强度S(J→J)并拟合了唯象强度参数Ωt(t=2,4,6),它们的值分别是Ω2=6.23×10-20cm2,Ω4=1.87×10-19cm2,Ω6=1.36×10-19cm2。通过计算得到的唯象强度参数值,计算了Pr3+离子的辐射跃迁几率Ar、辐射寿命τr、荧光分支比βc,Pr3+离子的3p0、1D2和3P1三个能级的辐射寿命分别为7.23、101和7.44μs,与Pr:Ca4GdO(BO3)3相比三种辐射寿命处于同一数量级。1D2→3H4和1D2→3F4的荧光分支比分别为30.1％和21.9％。
5.对几种浓度的Nd:LCB晶体进行自倍频测试,其中8％的Nd:LCB晶体激光实验结果最好,其倍频光功率达到了100mW。进一步证实了Nd3+离子在LCB晶体中存在两种不等效格位:La3+和Ca2+离子的格位。在高分辨脉冲激光的激发下,首次在Nd:LCB晶体中观察到了双频激光现象,以高分辨脉冲激光为泵浦光源,在泵浦光功率为5W时,得到了Y,Z正交偏振的双频激光,波长分别为1051.4nm和1068.7nm,频差达到4.6THz。
总之,LCB能为稀土激活离子RE3+提供合适的晶格格位,并具有良好的光谱特性和自倍频激光性能,是一种有潜在应用价值的激光自倍频基质晶体。