高功率固体激光器在工业、科研和军事领域有着非常诱人的应用前景。高功率激光器的应用,在很大程度上取决于激光的亮度,这就要求激光不仅要有高的功率,同时也要有高的光束质量。但是随着激光功率的提升,固态介质不可避免的受热而升温,造成介质产生热畸变,导致光束质量变差,效率降低,制约了固体激光向更高功率的发展。目前高功率激光器中应用较为广泛的工作物质是YAG晶体或陶瓷,因为这类材料具有较高的热导率、优秀的光学性质和激光性能。近年来,人们将关注的焦点转向了稀土氧化物系列材料。同YAG相比,稀土氧化物系列晶体具有更高的热导率和更低的声子能量,具备实现更大功率、更高效率激光输出的潜质。目前,关于该类材料的研究主要集中在Yb3+掺杂的材料方面。C. R. E. Baer等人在2009年和2010年分别实现了Yb:Lu2O3晶体的高功率连续激光和飞秒激光输出,输出的功率分别为149W和141W,展示了其在高功率激光器领域重要的应用前景。相比于Yb3+掺杂的激光材料,Nd3+掺杂的晶体材料具有更多的发射谱线,可以实现0.9、1.06、1.3μm等多个波段的激光输出,具有更广阔的应用前景。目前,Nd3+掺杂的稀土氧化物晶体已经在雷达探测和人眼安全激光等领域展现出了诱人的前景。但是,Nd3+掺杂的稀土氧化物系列晶体的激光输出功率普遍不高,关于这类晶体光谱和激光方面的系统报道也很少。目前尚没有对掺钕氧化镥晶体的性质的系统研究,因此探索Nd:Lu2O3晶体的性能将是非常有意义的工作。我们采用光浮区法生长了Nd:Lu2O3晶体,并对其结构、组分、热学性质、光学性质以及激光性能等进行了系统的研究。(一)Nd:Lu2O3晶体的生长采用高纯的Nd2O3和Lu203,通过固相反应合成Nd:Lu2O3多晶原料。采用光浮区法生长了具有较高光学质量的Nd:Lu2O3晶体,并对晶体生长过程中影响晶体质量的因素进行了分析。(二)Nd:Lu2O3晶体的基本物理性质1.采用X射线粉末衍射仪对晶体的结构进行了分析。衍射结果表明晶体属于立方晶系,Ia3点群,计算得到的晶格参数为a=10.396A,与Lu2O3晶体数据符合的较好。2.采用X射线荧光光谱仪测得晶体中Nd3+的有效分凝系数为0.7,Nd3+的掺杂浓度会随生长的进行而逐渐富集。3.采用差热扫描量热仪测试了晶体的比热,结果显示比热随温度的升高而增加。采用热学—机械分析仪对晶体的热膨胀系数进行了测定,并根据热膨胀的结果计算得到了晶体室温下的理论密度。采用激光热导仪测试得到了晶体的热扩散系数。根据热扩散、比热和密度的数据计算得到了晶体的热导率,其中室温下热导率为13.42W/mK,适合在高功率激光下进行应用。4.对Nd:Lu2O3晶体室温下的吸收光谱和发射光谱进行了研究。利用分光光度计对晶体的吸收光谱进行测量,利用荧光光谱仪对晶体的发射光谱进行了测量,并利用J-O理论对晶体的光谱参数进行了计算,为其激光应用奠定了基础。(三)Nd:Lu2O3晶体的激光性能1.采用808nm的LD泵浦源,实现了最大输出功率为142mW的951nm连续激光输出。2.得到了Nd:Lu2O3晶体瓦级双波长激光输出,最大输出功率达为2.81W,对应转换效率17%,输出波长为1076和1080nm。