掺钕有机激光材料的制备与性能研究

论文摘要

稀土无机晶体、玻璃等固体激光材料存在着工艺条件要求苛刻、生产成本高、散热性差等许多问题,在应用上受到了一定的限制;开发低成本、易加工、高性能、易散热的有机材料作为激光介质成为了一个重要的研究热点。本文从激光介质的加工成本和散热性两方面分别研究了两大掺钕有机激光材料。第一部分,基于有机材料易加工、低成本的优势,我们研究了具有高发射截面和优良激光特性的掺钕聚合物激光材料。采用本体聚合方法制备出了均匀、透明的Nd3+配合物掺杂的PMMA块状材料,对配合物的单晶结构和介质的热性能进行了分析。另外对介质进行了吸收、荧光及寿命等光学性质表征,讨论了配合物分子内配体与稀土离子间的能量转移机理;Judd-Ofelt理论对光学性质的分析结果表明,聚合物介质具有良好的激光特性,其中Nd3+的受激发射截而高达2.75×10-20cm2,不仅比报道的Nd3+配合物掺杂的有机体系高,而且超过了LaF3:Nd等无机固体激光材料。聚合物本身特有的抗弯曲等优良的机械性能和易加工性,使得本材料很可能成为未来低成本、高增益有机固体激光介质的候选材料。第二部分,基于液体流动性好、散热佳,可以避免在高功率运行中热效应的影响,我们设计开发了掺杂纳米的有机液体材料,旨在获得高重复率、高功率的液体激光介质。以纳米作为掺杂主体,是考虑纳米颗粒具有独特的微观晶格特性和光学特性,以期在有机体系中获得无机材料的优良激光特性。具体如下:采用溶液燃烧法合成了掺钕氧化钇纳米(Nd0.1Y0.9)2O3,使用表面修饰的方法对纳米进行了有机包覆,再将其分散于DMF中制备出了均匀、透明且稳定的新型液体激光介质。采用FTIR、TEM等表征方法对修饰前后的纳米及介质进行了对比研究。对透明的液体激光介质进行了吸收、荧光发射、荧光衰减等光学性质表征:同时运用J-O理论对介质的光学性能进行了详细的讨论。Nd3+在介质中的受激发射截面为1.73×10-20cm2,荧光分之比β为0.460,这两个重要的激光参数与一些无机固体激光材料相当;另外钕离子4F3/2态对应的荧光量子效率达到3.5%,与掺Nd3+的有机介质量子效率是相当,表现出了优良的激光特性,为进一步开发低损耗、高重复率有机液体激光工作物质提供了技术储备。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 激光发展方向和研究热点
• 1.2 掺钕有机聚合物激光材料研究概况
• 1.3 液体激光介质研究概况
• 1.4 本文的研究意义和研究内容
• 参考文献
• 第二章 钕离子能级结构及激光理论基础
• 2.1 三能级和四能级系统
• 2.2.1 三能级系统
• 2.2.3 四能级系统
• 2.2.3 亚稳态能级
• 2.2 Judd-Ofelt（J-O）理论简介
• 2.3 钕离子能级结构及相关参数
• 参考文献
• 第三章 掺杂钕离子配合物的PMMA激光材料的研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验药品
• 3.2.2 实验仪器
• 3.2.3 钕离子配合物的合成及单品的培养
• 3.2.4 掺钕配合物的PMMA基质的制备
• 3.3 结果和讨论
• 3.3.1 配合物的分子结构
• 3.3.2 介质的热行为
• 3.3.3 介质的光学性能
• 3.3.4 分子内能量转移的讨论
• 3.3.5 基于J-O理论的光学性质分析
• 3.3.5.1 J-O理论计算
• 2的深入讨论'>3.3.5.2 Ω₂的深入讨论
• 3.3.5.3 受激发射截面
• 3.3.5.4 辐射寿命及量子效率
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 掺杂纳米的有机液体激光介质的研究
• 4.1 引言
• 4.1.1 纳米材料简介
• 4.1.2 稀土纳米氧化物的制备方法
• 4.1.3 纳米氧化物表面修饰及分散的方法
• 4.1.4 样品的表征与分析方法
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验药品
• 4.2.2 仪器
• 4.2.3 新型液体激光介质的制备
• 4.2.3.1 掺钕氧化钇纳米的制备
• 4.2.3.2 掺钕氧化钇纳米的表面修饰及分散
• 4.3 结果和讨论
• 4.3.1 晶体结构分析
• 4.3.2 粒径大小与合成条件的关系
• 4.3.3 表面修饰前后的比较分析
• 4.3.3.1 TEM的比较分析
• 4.3.3.2 分散稳定性研究
• 4.3.3.3 红外光谱比较分析
• 4.3.4 表面修饰机理分析
• 4.3.5 新型有机激光介质的光学性质
• 4.3.6 基于J-O理论的光学性质分析
• 4.3.6.1 J-O理论计算
• 4.3.6.2 激光特性参数
• 4.3.6.3 辐射寿命及量子效率
• 4.4 小结
• 参考文献
• 第五章 总结及展望
• 研究生期间科研和论文发表情况
• 致谢