新型稀土激光材料的研究

论文摘要

激光材料是激光技术发展的核心和基础,具有里程碑的意义和作用。自20世纪60年代第一台红宝石激光器问世以来,激光的应用已经遍及科技、经济、军事和社会发展的许多领域。在过去的十多年里,信息技术的空前发展宣告了第三次工业革命的来临。激光和激光技术正以其强大的生命力推动着光电子技术和产业的发展。成为世界先进制造业、信息产业强国是我国21世纪的发展战略目标,实现该目标的关键之一是必须能充分提供基础性的激光材料及其元器件。一代材料,一代器件。鉴于传统的激光器在性能上存在的许多局限性,科学家们长期以来一直致力于发展新型激光材料以期获得更加完美的激光器。因此,探索和开发新型激光工作物质和材料不仅是未来研制新型高效率激光器及激光系统的前提和基础,而且具有巨大的潜在应用价值和重要的战略意义。鉴于此,新型激光材料的研究和开发正是本文的核心内容。在本论文中,我们综合评估了国内外激光工作物质的发展趋势,深入分析了已有技术路线的优缺点,并在此基础上研究开发了几类新型的稀土激光材料,并对新体系的性能和技术可行性作了系统的理论和实验研究,取得了重要进展,为发展新型激光器奠定了基础。本文的主要研究内容如下:1.针对目前以重金属氧化物玻璃基质的掺铒基质材料中铒存在着较严重的激发态吸收和上转换,最终导致材料和器件整体量子效率低下的技术瓶颈问题,成功地开发出新型的掺铒激光材料。有效地抑制了Er3+的激发态吸收引起的上转换,极大地提高了材料的发光强度,并制备了高量子效率的宽带新型掺铒非石英基质放大器。2.制备了新型的四核钕有机配合物并表征了其结构,然后进一步掺杂到有机基质如氟氯油、PMMA中,通过吸收光谱、荧光光谱、荧光寿命等测试分析技术,表征了材料的光学性能。与一些传统的钕有机材料如单核、氘代、氟代材料相比,该新型材料成本低,性能优良,在PMMA中受激发射截面达到2.55×10-20cm2,超过了无机材料LaF3:Nd的发射截面值,表现出优良的激光特性,为进一步开发低成本、小功率稀土有机激光工作物质提供了理论基础和技术储备。3.从稀土离子络合法和分散法两条途径出发,研究开发新型稀土液体激光材料。将多核钕配合物大量溶解在强极性溶剂DMF中,得到均一、透明、稳定、低毒的液体激光介质,受激发射截面达到3.13×10-20cm2。同时运用Forster荧光共振能量转移理论研究了体系中钕离子的淬灭机理。为了进一步减少体系中C—H和O—H键的振动影响,我们制备了新型的氟代配合物（C2F5COO）3Nd（Phen）,然后溶解到DMSO-d6中开发液体激光介质。与其他一些已经报道的相关材性能比较,该新型材料有着较长的荧光寿命和较高的量子效率,表现出优异的光学性能;创造性地提出了“流动的固体”的全新概念,将钕磷酸盐玻璃微球均匀分散到特定的有机液体中制得新型流体激光介质。分析结果表明,该材料荧光寿命长达300μs,受激发射截面达到3.0×10-20cm2,非常适合用作高增益的流体激光介质。4.系统研究了液体介质对液体激光出光性能的影响。筛选出了DMSO-d6和MMAF等性能优良的液体介质,针对这些材料的光谱参数,设计了相关泵浦方案并进行了激光振荡阈值的估算。在分散法体系中,通过多次实验研究,开发了性能优良的有机折射率匹配液,成功地克服了散射问题。在激光发振实验中我们首次成功地实现了激光输出并详细研究了其输出特性,在高能流体激光领域取得了突破性的进展。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 激光简介
• 1.2 激光的基本原理
• 1.2.1 光辐射基础理论以及激光器工作的基本原理
• 1.2.2 谱线加宽和线型函数
• 1.3 本文的主要意义和研究内容
• 参考文献
• 第二章 稀土离子能级及Judd-Ofelt理论基础
• 2.1 稀土元素和能级结构
• 2.2 三能级和四能级系统
• 2.2.1 三能级系统
• 2.2.2 四能级系统
• 2.2.3 亚稳态能级
• 2.3 Judd-Ofelt理论简介
• 2.3.1 稀土离子能级间的跃迁强度和JO理论
• 2.3.2 Judd-Ofelt理论应用步骤和注意事项
• 3+离子的相关参数'>2.3.3 Nd³⁺离子的相关参数
• 参考文献
• 第三章 掺铒高量子效率激光材料
• 3.1 引言
• 3.1.1 铒激光的发展简介
• 3.1.2 掺铒玻璃光纤在光纤放大器和光纤激光器中的应用
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验药品
• 3.2.2 材料的制备与表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 稀土铒的激发态吸收问题及钝化机理
• 3.3.2 荧光光谱性质
• 3.3.3 新型光放大器的光增益和信号噪音
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 多核钕有机发光配合物的制备和研究
• 4.1 引言
• 4.2 有机稀土配合物发光机理和钕有机发光配合物
• 4.3 实验部分
• 4.3.1 实验药品
• 4.3.2 仪器
• 4.3.3 合成与表征
• 4.4 结果讨论
• 4.4.1 四核钕配合物的结构表征
• 4.4.2 新型四核配合物掺杂在氟氯油中的分析和讨论
• 4.4.3 新型四核配合物掺杂在PMMA中的分析和讨论
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 新型液体激光材料的研究
• 5.1 引言
• 5.2 液体激光及介质
• 5.2.1 染料液体激光
• 5.2.2 稀土液体激光
• 5.3 实验部分
• 5.3.1 实验药品
• 5.3.2 仪器
• 5.3.3 合成与表征
• 5.4 结果与讨论
• 5.4.1 新型四核配合物溶解在DMF中的分析和讨论
• 6中的分析和讨论'>5.4.2 新型氟代配合物溶解在DMSO-d₆中的分析和讨论
• 5.4.3 新型钕磷酸盐玻璃微球分散在有机溶剂中的分析和讨论
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 液体介质对液体激光性能影响的研究
• 6.1 引言
• 6.2 稀土离子络合法液体介质的研究
• 6.2.1 初步的研究
• 6.2.2 氘代、氟代或溴代试剂
• 6.2.3 激光振荡条件的估算
• 6.3 玻璃微球分散法液体介质的研究
• 6.3.1 分散法对液体介质的要求
• 6.3.2 折射率匹配实验研究
• 6.4 钕玻璃微球有机流体材料的激光发振实验
• 6.5 钕玻璃微球有机流体激光输出特性的研究
• 6.6 本章小结
• 参考文献
• 第七章 总结与展望
• 后记
• 一、攻读博士学位期间已发表及投稿的论文
• 二、已授权的发明专利
• 三、致谢