吴茂兴[1]2003年在《激光晶体等径生长控制系统的研究》文中认为在激光晶体生长等径控制过程中，有两个关键环节：测径数据采集系统和控制算法。晶体生长是在数千度的高温下进行的，采用常规的测径方法，精度不高，这将对整个系统的控制性能产生影响。晶体生长炉具有参数时变、大惯性和大纯滞后的特点，应用常规PID控制算法，动态性能不理想；应用模糊控制算法，稳态精度不能令人满意，都难以实现有效的控制。本文旨在设计这样一个晶体生长等径控制系统：具备更为合适的控制算法，以及高精度测径方法，这将对提高激光晶体的质量有着重要意义。 对晶体直径变化的监测，本文采用上称重的方法，在晶体生长时，以一定的时间间隔T，称取晶体的重量，利用晶体直径与重量之间的函数关系，计算出直径的变化量。称重数据采集系统采用高性能转换芯片，以及高精度的称重传感器。称重精度高达2／10000，这对整个控制系统实现良好的控制性能奠定了基础。 在控制算法上，考虑到PID和模糊控制算法的优缺点，采用模糊PID复合控制，应用模糊集合理论建立参数K_P、K_I、K_D同偏差绝对值|e|和偏差变化绝对值|Δe|之间模糊逻辑关系，并根据不同的|e|和|Δe|实现在线自整定参数K_P、K_I、X_D，系统将不但具备良好的动态性能，而且具备较高的稳态精度，达到良好的控制效果。 通过仿真分析以及实验测试，采用模糊PID控制算法以及上称重数据采集系统的等径控制系统，在动态性能、稳态精度、控径精度上都有较大程度的提高。该系统推广到晶体生长工业中，将有着重大的应用前景。
王延军[2]2009年在《晶体生长超低速控制技术的研究》文中指出人工晶体生长过程的关键控制技术以晶体生长运动装置低速控制、基于生长模型的等径控制和晶体生长系统可视化等技术最为重要。成份均匀、结构完整、缺陷少的高质量晶体生长主要受到生长控制技术和设备稳定精确运行等条件的制约,等径控制精度决定着晶体生长的成败;低速运动的速度稳定性和速度跟踪精度主要受摩擦力矩、电机波动力矩等因素影响,高精度且稳定的晶体生长运动装置低速控制技术是等径生长的保障;晶体生长过程工艺参数复杂、可重复性差,摸索最佳的生长工艺参数周期长,费用高。依据激光晶体生长的工艺要求,完成了低速运动装置的系统设计,针对装置低速运行时摩擦转矩的不确定性带来的速度不稳定问题,采用具有预紧力的精密滚珠丝杆副和导轨副;通过负载转矩和转动惯量的计算,合理选择伺服电机,速度控制回路采用变增益的控制方案以抵消各种干扰因素。在分析了上称重法自动直径控制技术工作原理的基础上,研究了上称重法自动直径控制的机械结构、电气控制、系统标定等关键技术,实现了晶体瞬时生长速率精确而平稳的自动控制,解决了激光晶体生长中自动直径控制的难题。建立了晶体生长过程实时数据采集系统,实现了过程数据的备份、查询及分析。对提拉法生长晶体的工艺流程进行详细的分析,结合对结晶过程产生主要影响的因素,建立描绘晶体生长的物理模型,并对晶体的生长过程进行仿真建模,采用OpenGL编写计算机仿真软件,实现提拉法生长晶体的数据可视化。超低速控制技术系统设计方案确保了提拉装置的速度跟踪精度,提拉装置实时运行数据表明,速度跟踪误差小于1%,性能满足生产要求;该上称重法自动直径控制系统能够大大减少晶体在直径方向上的波动,波动偏差小于0.5mm,直径误差在±1%以内,提高了晶体的内在品质及晶体生长设备的自动化水平;晶体生长系统可视化研究在一定程度上解决了晶体生长的工艺试验难题,生长过程数据库实现了晶体生长过程的复现,数据表明晶体生长稳定。
董淑梅[3]2005年在《激光晶体生长自动直径控制（ADC）技术研究》文中提出本课题的主要研究对象是激光晶体生长设备中的核心技术—自动直径控制(ADC)技术。自动直径控制技术是Czochralski法(简称:Cz法)晶体生长设备的一项关键技术,随着晶体生长向优质大尺寸方向发展以及坩埚内投料量的加大,对晶体直径测量和精度控制的要求也愈来愈高,研究开发技术先进、精度高、性能稳定可靠的自动直径控制(ADC)系统,对于大幅提升国产晶体生长设备的自动化程度和产品质量是非常必要的。 本课题依据激光晶体生长的工艺要求,在多年研究工作的基础上开发了一种性能先进的上称重法自动直径控制系统。分析了上称重法自动直径控制技术的工作原理,从理论上给出了控制模型,在此基础上,研究了实现上称重法自动直径控制的机械结构、真空密封、电气控制、系统标定等关键技术,实现了晶体瞬时生长速率精确而平稳的自动控制,成功生长出φ2—3英寸Nd∶YAG晶体及LiNbO_3晶体,解决了激光晶体生长中自动直径控制的难题。通过对该系统的静态试验及用户的实际生产状况来看,该上称重法自动直径控制系统能够大大减少晶体在直径方向上的波动,提高了晶体的内在品质及晶体生长设备的自动化水平,减少了人为因素对晶体生长的影响,降低了从事晶体生长人员的劳动强度,对晶体生长实现规模化、产业化具有重要意义。
尚付鹏[4]2009年在《基于ARM的激光晶体炉上称量控制系统研究》文中研究说明激光晶体材料的不断发展及广泛应用,对生长晶体材料的基础设备提出了更高的要求。本论文在分析国内外晶体生长设备和方法的基础上,针对性地提出了一套完整的基于ARM公司最新CORTEX-M3核产品的激光晶体上称重控制系统方案。论文首先简要介绍了激光晶体的发展和控制技术,然后结合国内外晶体生长设备现状和市场需求,详细讨论了目前激光晶体生长所普遍采用的几种生长工艺,并比较总结出最理想的激光晶体生长工艺技术——激光晶体提拉法上称重控制技术。在此基础上,本课题针对晶体生长工艺理论设计了相应的机械结构,在等径生长工艺基础上建立了串级控制数学模型。由于实际控制环节存在大滞后性,在晶体重量信号采样环节引入了模糊PID自适应控制,并利用MATLAB的SIMULINK工具箱进行了仿真,仿真结果满足实际控制要求,从而验证了该数学模型的可行性。本控制系统充分利用了ST公司的具有最新CORTEX-M3内核的STM32F103微控制器在嵌入式领域的优势资源,利用RTOSμC/OSⅡ这一可剥夺型实时内核在嵌入式控制器上的解决方案,缩短了开发周期,降低了开发成本。根据控制系统的设计要求,设计完成了相关的硬件电路,并结合触摸屏技术和MiniGUI用户图形接口实现良好的人机交互界面。本课题将理论研究与实际开发有机地结合起来,结合最新的嵌入式系统开发平台,成功地实现对激光晶体生长设备的机械设计及控制,同时也对其它材料晶体生长提供了重要参考。鉴于硬件控制部分所具有的通用性,本课题的研究对于任意单晶生长设备的研发都具有一定的指导意义。
陈捷[5]2009年在《上称重法生长掺稀土钨酸钆钾及若干新晶体结构设计与制备》文中指出掺稀土钨酸钆钾晶体（KGd(WO4)2，简称KGW）是极有发展前景的激光新材料之一，因为其一系列独特性能，正逐步受到科学界的重视。本论文主要研究了上称重法生长掺稀土钨酸钆钾及若干新晶体结构设计与制备。1.论文首先对激光晶体、晶体生长技术进行一个简单的概述和讨论，介绍了KGW晶体的基本性质，讨论对了KGW的晶体生长方法和生长条件的选择，对所涉及的顶部籽晶法、熔盐提拉法作了较为细致的分析。2.论文接着对KGW晶体相关国内外文献，从晶体生长、缺陷研究、光谱性能、激光实验等4个方面进行归纳和讨论；介绍了国内外在晶体生长装置方面研究的现状，包括温场设计、机械设计、自动化控制等，并对其未来发展作了展望。3.论文具体介绍KGW晶体生长研究工作，对实验中碰到的各种技术问题进行讨论，并提出相应的解决方案，具体内容包括：1)晶体生长实验室改造：根据熔盐法对于实验室环境中机械震动、温度波动、湿度、尘埃等特殊要求，对晶体生长室和控制室进行了改造，并介绍了实验所用2种控温仪的各自特点。2)晶体生长炉设计：讨论了熔盐炉的设计要求；根据KGW晶体生长特点，设计制备了Φ650×600mm大热容量生长炉，并对加热体密绕方式、热电偶选择和放置位置、坩埚设计进行了讨论，初步摸索出晶体生长炉设计和制备的2个关键技术点：炉体结构设计：目标是寻求最佳温度梯度分布，考虑加热功率计算、电热元件设计、温区布置及功率匹配等；重点进行炉衬材料的选择，精密计算炉壁各层的耐火及保温材料的界面温度、厚度及热流量，保证热场的维护与维修应方便实用。高精度的温度控制系统：目标是保证长时间（生长周期3个月内）温度波动小于0.1°C，由于晶体生长的系统是一个热滞很大的系统，而且其热滞后时间在整个晶体生长过程中不断变化，其变化是非线性的，关键在于控制被控系统的热滞后效应。3)温场设计论文讨论了温场设计的理论依据和需要考虑的具体问题，并通过改变加热丝的环绕方式、疏密程度、坩埚相对于加热元件的位置、坩埚上方的保温方式来实现温场调控，最终通过多层Al2O3保温筒，档板以及后热器组成一个可以灵活组合的保温系统，满足KGW晶体生长的要求。4)计算机辅助多功能熔盐法晶体生长系统的设计与制备：本人在晶体生长过程中也切身感觉到晶体生长工作强度很大，熟练技术的时间周期很长。能否设计和制备出一套计算机辅助多功能熔盐法晶体生长系统来解决这个问题。沿着这个思路，在指导教师的精心指导和同学的大力支持下，我在论文研究的后期开展了该项工作的研究，并取得了一定的进展，研究了系统硬件部分，如称重系统、信号放大器、功率控制系统等；使用软件开发工具Borland Delphi7Enterpise、数据库MicroSoft Access2000，根据应用需求，对系统管理、设备管理、通信管理、数据处理等十个功能模块进行设置和详细分析。5)原料合成首先讨论了熔盐法晶体生长助熔剂选择的基本原则和选择步骤，对比了生长KGW晶体可供选择的助熔剂性质；将与目前生长密切联系的相图K2W2O7体系的液相线重新作了测定和验证；讨论了Nd3＋掺杂浓度与荧光强度的关系，选择Nd3＋的最佳掺杂浓度；阐述了KGW原料组分的配比，具体原料制备过程，并对比了合成好的KGW原料与标准XRD谱图，发现KGW原料合作的效果很好，已经能够满足晶体的需求。6)生长工艺技术详细研究了KGW晶体生长的各个具体步骤和关键性技术，包括籽晶制备、原始料化料、晶体试种、晶体下种，不同生长阶段拉速、转动速率、降温速率的选择，晶体等径生长的控制和晶体后处理技术；以K2W2O7为助溶剂，采用熔盐提拉法，成功地生长出了一系列高质量的掺稀土KGW晶体，Nd掺杂浓度分别为1、1.6、2、3、3.5、5、8at％的不同晶体，晶体尺寸达60×60×30mm3，光学均匀性达1.25×10-5，在5mw红光照射下未见到散射通道；7)晶体缺陷探讨讨论了熔盐提拉法生长KGW晶体的包裹、开裂和生长纹等叁个主要缺陷的表征、产生原因和可行的消除方式，提出在下种中，采用收脖和放斜肩技术，可以有效地提高晶体的内部质量。8)大尺寸晶片加工简述了晶体器件加工流程，包括定向、切割、粗磨、抛光、镀膜等，重点描述KGW晶体抛光中粗磨、预抛加工、加工平面度及平行度、加工光洁度等关键工艺点；经测试，加工出的KGW晶体表面的平面度为0.114λ，平行度为4.4”，表面粗糙度为0.556nm。9) Nd:KGW晶体光学和光谱性能的测试。测定了吸收和发射载面、波长、峰宽、量子效率及寿命等与激光运转有关的重要参数，测得Nd:KGW晶体在1067nm处荧光发射截面为1.483×10－20cm2，半峰宽：15nm；在810nm处吸收波长810nm，半峰宽14nm，吸收截面1.27831×10－20cm2；荧光寿命110μs。10)晶体激光实验首先在空腔的条件下对棒进行测试，得到在使用不同透过率的平面镜作为输出镜的情况下得到的输出功率与泵浦功率的关系；接着进行调Q实验，在静态条件下，使用不同透过率的平面镜作为输出镜，得到输出功率与泵浦功率的关系图，其最高的转换效率达到56%；在调Q的条件下，脉冲重复频率10Hz，泵浦脉宽385μs时，输出功率随着泵浦功率的增加而增加；在泵浦功率较小时，输出功率增长速度较快；在泵浦功率较高时，输出功率增长速度较慢；期间最大的转换效率为11.4%；实验证明Nd:KGW具有输出能量大，转换效率高的特点，可以用来研制高效率小型激光器。11）最后本章还对提高KGW晶体质量和尺寸的途径进行了展望，为下一阶段的研究工作指明方向。4.在本论文研究的后期，本人在导师的指导下，通过水热法合成了五种配位聚合物，并进行了晶体结构测定和描述，为下一阶段研究工作奠定基础。
范泽[6]2010年在《掺钕硅酸镓镧（Nd：LGS）晶体生长及其性质研究》文中指出目前激光技术的发展日新月异,激光在众多领域中的应用越来越重要。实际上,激光器是一个振荡器,利用受激辐射实现光的振荡,产生相干光。由于将半导体和固体激光器相结合,激光二极管(LD)泵浦的固体激光器(DPSSL)将两者的优点结合到一起,具有体积小、寿命长、全固化、泵浦效率高、输出稳定等优点,被广泛应用于军事、医疗、光通讯、材料加工、激光测距和激光核聚变’等领域,已经成为目前激光器件的研究热点之一。激光工作物质作为DPSSL的重要组成部分是设计全固态激光器的关键因素,其物理和光谱性质决定着激光器的性能及其应用价值,因而,探索性能优异的激光材料成为全固态激光器领域的研究热点之一。晶体材料具有良好的光学、热学、机械以及物化等性能,因此在激光器的应用中一直占据着统治地位。在各种晶体生长方法中,提拉法因具有易观察、生长周期短、可控性好等优点,成为晶体制备的首选方法。1983年,A. A. Kaminskii等报道了一系列不同取代组分(La1-xNdx)3Ga5SiOi4(x=0.0001～1)晶体的生长。Nd3+：LGS属于无序激光晶体,具有较低的阈值以及宽的吸收谱带和发射谱带,适合用作激光增益介质,随后Kaminskii等实现了该晶体LD泵浦连续激光输出,但获得的功率仅为30mW。LGS晶体也是一种用途广泛的材料,它具有优异的压电、电光性能。从20世纪80年代首次报道至今,Nd:LGS激光晶体的研究一直为人们所关注。近来Nd:LGS晶体的1.06μm激光输出也取得了一定的突破,得到了最大功率2.25W的连续激光输出。以往人们的研究集中在某一特定的高浓度掺杂晶体的性能方面,但是高掺杂浓度的晶体,由于晶格畸变,难以得到高质量的单晶；并且浓度过高时,存在严重的热效应,难以实现高泵浦功率下应用；由于自吸收严重,也难以实现准叁能级激光输出。对于Nd:LGS激光研究方面,尤其是LD泵浦激光方面,只是集中于z方向切割的晶体,但是其为叁方晶系,其x或y方向切割的晶体为偏振输出。此外,探索Nd:LGS晶体自调Q激光输出也将是一项有意义的工作。以上工作都需要有更大尺寸和高质量的单晶。但到目前为止,还未有相关方面工作的报道。本论文对其晶体生长、结构、质量表征、热学性质、光谱性质以及激光性能等进行了系统研究,主要包括以下几个方面的工作：一、晶体生长1.介绍了Nd:LGS晶体的生长设备及工艺,系统讨论了在晶体生长过程中影响晶体生长质量的主要因素。其中建立合适的温场是生长高质量单晶的前提,控制合适的生长工艺参数是晶体生长的关键；合适的原料配比、优质的籽晶以及退火处理等也是其中重要的环节。2.在生长光学级LGS晶体的基础上,优化设计了温场,建立了适宜Nd:LGS晶体生长的温场系统。以纯度为99.99%的La2O3,Nd2O3和SiO2与99.999%的Ga2O3通过固相反应合成出晶体生长所需要的多晶料。通过控制适宜的生长工艺参数,利用提拉法成功生长出了高质量、大尺寸的Nd:LGS晶体,并对其生长过程进行了系统地研究,掌握了生长高质量Nd:LGS晶体的生长条件。二、Nd:LGS晶体的结构与质量表征1.X射线衍射数据表明,所生长的4种掺杂浓度的晶体结晶质量良好。经过晶胞参数计算表明,Nd:LGS晶体晶格常数与LGS晶体相比变化非常小。高分辨X射线实验和锥光干涉实验也进一步表征了所生长的晶体的质量,结果表明所生长的晶体结晶性和光学均匀性都较好。2.X射线荧光测试,确定了Nd3+的掺杂浓度及其分凝系数。测定了晶体中各个元素的含量,证明了Nd3+离子掺杂后取代La3+离子在晶体中的位置,所生长的晶体为同成分化合物,质量较好。叁、Nd:LGS晶体物理性质的研究1.进行了吸收光谱测试分析,晶体的吸收峰强度随着Nd掺杂浓度的降低而减小,低浓度掺杂虽能提高晶体质量,但是也降低了晶体对泵浦光的吸收效率。荧光光谱表明晶体在904nm处荧光强度较大,有可能实现该波长的激光输出。利用J-O理论计算了晶体的相关吸收和发射参数,晶体在588nm和808nm附近有较大的吸收截面,且吸收截面的数值随着掺杂浓度的升高而增大。掺杂浓度为0.3at%,0.5at%,1at%Nd:LGS晶体的4F3／2能级的荧光寿命分别为116.8μs、111μs和102.5μs,荧光寿命随着掺杂浓度的升高而降低；在1.06μm处具有较大的荧光分支比,且也随着掺杂浓度的升高而降低,其受激辐射截面计算为1.405×10-19Cm2。2.实验测量的Nd:LGS晶体密度与LGS晶体密度相当,变化非常小。比热实验结果表明,Nd:LGS比热高于LGS,不同浓度下比热变化很小。在测试温度范围内,晶体的比热略有增大。3.热机械分析测量了Nd:LGS晶体的热膨胀系数,不同浓度的a11和a33变化不大,但是Nd:LGS的a11略高于LGS晶体的a11值。4.通过激光脉冲法测量了晶体的热扩散性质,并计算了晶体的热导率。结果表明,随着Nd掺杂浓度的提高,热导率逐渐增大,但是变化微小。Nd:LGS晶体的热导率介于钒酸盐和Nd玻璃之间,适合应用于中等功率的激光器。四、Nd:LGS晶体激光性能研究1.以Zi：Al2O3激光器为泵浦源,对0.15at%的Nd:LGS晶体进行了激光实验。首次实现了906nm连续激光输出,最大功率达到18mW。2.利用Z切0.3at%和0.15at%浓度晶体在1.06μm谱线处获得了较大功率连续激光输出,最大输出功率分别为2.23W和0.47W,光光转化效率分别为13%和8.5%,相应斜效率分别为13.9%和4.4%。首次实现了X切0.3at%浓度晶体1.06μm连续波激光输出,最大功率为1.12W,光光转化效率为8.5%,斜效率为9.7%。
于永贵[7]2009年在《几种氧化物晶体的数值模拟、生长及性质研究》文中进行了进一步梳理功能晶体材料具有光、电、热、声、磁等多种特殊的物理效应,被广泛应用于微电子、通讯、医疗、军事、科研教育、勘探等众多领域。如今,激光、能源、信息、航天等高新技术的发展,对功能晶体又提出了新的和更高的要求,使它们成为当前材料科学与工程发展的前沿领域和研究热点。在各种晶体生长方法中,提拉法因具有易观察、生长周期短、可控性好等优点成为晶体制备的首选方法。而熔体中晶体的生长是一个简单而又复杂的液-固相变过程,熔体在一定条件下于固/液界面处定向凝固,使生长单元有规则排列形成单晶。因此,固/液界面的状态及形状直接影响到晶体质量的好坏。同时,晶体生长过程是一个释放潜热的过程,生长系统内的各单元因传导、对流、辐射等存在热量交换;熔体在浮力、压力、磁场、晶体旋转和坩埚旋转等条件下也会产生不同类型的对流,对流状态会影响到熔体中的质量传输和热量传输。所有这些现象可最终归结为晶体生长的两大基本问题,传质和传热,它们决定着晶体生长的整个过程,是影响晶体质量的根本原因。于是,人们通过实物模拟和数值模拟的方法去了解这些热量、动量、质量传输过程。但实物模拟因其众多的不足无法使人们去充分认识这些过程。而数值模拟只要模型选取和条件设置合理,就可以对生长系统中的温度场、速度场及浓度场等给出详细的描述;对生长界面形状及其发展做出准确预测;对晶体中的缺陷形成和分布做出合理的解答,提供给人们更多的关于质量传输和热量传输的信息,认识各种生长条件对晶体生长的影响,为寻求最佳的生长工艺条件,提高晶体质量和成品率提供了参考,同时也大大缩短了试验周期,节约了成本。因此,数值模拟技术已经成为当今研究和改进晶体生长方法的重要工具,并已在工业化单晶的生产实践中发挥了巨大作用。本论文主要是通过CGSim软件对提拉法晶体生长中的质量传输、热量传输进行了模拟研究,分析了各生长参数对晶体生长过程和晶体质量的影响。同时根据实用要求,生长了电光Q开关用光学级硅酸镓镧(LGS)晶体,掺杂稀土钕离子硅酸镓镧(Nd:LGS)晶体和掺杂钕离子钙镓石榴石(Nd:CNGG)晶体,结合软件对晶体生长过程遇到的问题进行了数值模拟,针对性提出了相应的解决方案,对所生长晶体的质量、热学性质、光学性质和激光性能进行了研究。主要包括以下几方面的工作:一、软件模拟介绍了CGSim软件的基本模块及其所使用的主控方程和边界条件;针对LGS晶体和CNGG晶体开展了数值模拟工作。模拟了各生长参数对生长系统中传质和传热过程的影响,包括:晶体旋转速度对晶体生长界面的影响,提拉速度对加热功率的影响,晶体直径和坩埚尺寸对熔体中对流的影响,坩埚旋转在晶体生长中的作用,Marangoni对流在熔体表面处的作用及熔体液面高度对熔体中对流行为和生长界面的影响等。二、晶体生长1.光学级硅酸镓镧(LGS)晶体,掺钕硅酸镓镧(Nd:LGS)晶体生长以高纯原料La_2O_3,Ga_2O_3,SiO_2,Nd_2O_3通过固相反应合成了晶体生长用多晶料。采用提拉法并在改装的晶体生长自动等径程序控制技术的基础上,选取适当的工艺参数分别生长了光学级LGS电光晶体和掺钕浓度为1at%的Nd:LGS激光晶体。讨论了温场、原料配比、固液界面、后热器、生长工艺参数等因素对晶体生长的影响及提高晶体质量的途径与方法。在数值模拟的基础上针对晶体生长中出现的相关缺陷进行了相应分析并提出解决方案,主要包括:生长核心与生长界面。凸界面生长易产生小面而在晶体中心部位形成生长核心,采用平界面生长可以有效消除该核心。散射颗粒。晶体在放肩部位及转等径生长之前由于杂质不能有效从晶体下方排出而在晶体中形成散射颗粒,影响了晶体的光学均匀性,采取放肩时加大晶体转速或坩埚旋转等措施可以减少散射。生长条纹。晶体生长过程中的功率波动等会在引起晶体生长速率的变化,带来生长条纹,因此必须保持控温装置和机械装置的稳定工作。肩部开裂。平放肩晶体生长过程中,由于晶体肩部直接裸露于较低温的生长环境中而增加了晶体的热散失,进而造成晶体肩部存在较大的温度梯度,易引起开裂。加大后热器高度可以有效降低晶体肩部处的温度梯度,避免开裂。2.Nd:CNGG晶体的生长以高纯原料CaCO_3,Ga_2O_3,Nb_2O_5,Nd_2O_3通过固相反应合成了晶体生长用多晶料,结合对Nd:CNGG晶体的模拟结果,于坩埚内半满的熔体条件下,同样采用提拉法生长了无序结构Nd:CNGG激光晶体。钕离子掺杂浓度为0.5at%。叁、LGS晶体质量检测及Nd:LGS和Nd:CNGG晶体性能测试1.LGS晶体质量检测电光Q开关用LGS晶体必须具备高的光学质量,主要通过静态消光比测试了晶体的光学均匀性。通过对晶体不同部位的X射线荧光试验分析了晶体组分的均匀性,利用XRD粉末试验计算了晶体晶格参数的变化情况,所有这些试验结果均显示所长LGS晶体具有较高的光学质量和组分均匀性,可满足于电光应用。2.Nd:LGS晶体性能测试2.1分凝测试:利用X射线荧光对晶体中的Nd离子进行了分凝测试,结果表明钕离子在晶体中的分凝系数约为0.87,因而,LGS晶体可进行较高浓度的掺杂。2.2热学性质是激光晶体需要考虑的重要参数。系统测量了Nd:LGS晶体的比热、热膨胀、热扩散和热传导性。差热扫描量热计(DSC)测得晶体室温下的比热为0.376J/g·K,热机械分析仪研究了晶体在30-500℃不同方向的热膨胀性,计算了其线性热膨胀系数,分别为α_(11)=6.05×10~(-6)/K,α_(33)=4.24×10~(-6)/K。用激光脉冲法测定了晶体的热扩散系数为λ_(11)=0.658mm~2/s,λ_(33)=0.813mm~2/s,并根据密度及比热计算了晶体的热导率,室温下晶体的热导率分别为k_(11)=1.42 W/m·K和k_(33)=1.75W/m·K,高于玻璃的热导率,因此,Nd:LGS晶体可应用于中等功率激光系统中。2.3光谱测试:激光晶体的光谱特性决定了该晶体应用范围和激光特性。我们测量了Nd:LGS晶体的吸收和发射光谱,发现晶体对σ偏振方向的吸收远大于对π方向的吸收,在808 nm处有强的吸收峰,其偏振吸收系数分别为3.50×10~(-20) cm~2(π偏振)和8.1×10~(-20)cm~2(σ偏振),其半峰宽度为20 nm,约为掺Nd钒酸盐和Nd:YAG晶体的10倍;其发射光谱表明:在1066 nm处,Nd:LGS晶体具有最强的发射峰,其光谱宽度从1020nm到1120 nm,与Nd掺杂玻璃相差不大,除此之外,还存在904nm和1343nm处的发射。2.4激光性能首次对Nd:LGS大功率LD泵浦的激光性能进行了研究,获得最大输出功率为2.25W,光光转化效率为28.7%的连续激光输出,并对其激光光束进行了表征;首次以Cr:YAG为饱和吸收体实现了该晶体的被动调Q激光输出,得到了最大平均输出功率为0.54 W、最大单脉冲能量为175μJ、最短脉冲宽度为23.4ns、最大峰值功率为5.02kW脉冲激光输出。由于LGS晶体已经被证明是一种优秀的电光晶体,我们认为Nd:LGS晶体应该是一种兼具电光和激光的自调制激光晶体,进一步的实验仍在进行中。3.Nd:CNGG晶体性能测试3.1晶体的热学性质差热扫描量热计(DSC)测得室温下晶体的比热为0.595 J/g·K,热机械分析仪测量了晶体于30-500℃范围内的热膨胀性,计算了其线性热膨胀系数为7.88×10~(-6)/K,激光脉冲法测得室温下晶体的热扩散系数为1.223 mm~2/s,同样根据密度和比热计算了晶体的热导率为3.43 W/m·K。3.2晶体的热光系数热透镜效应是高功率激光下必须考虑的因素。以808m的LD为泵浦源,采用平-平腔,测量了晶体沿<111>方向的热透镜焦距大小,通过对热透镜焦距随泵浦功率的变化曲线进行拟合,得到Nd:CNGG晶体的热光系数为9.2×10~(-6)K~(-1),约为Nd:GdVO_4晶体(2.7×10~(-6)K~(-1))的3倍。3.3激光性能:以LD作为泵浦源,对0.5at%的Nd:CNGG晶体进行了激光试验。实现了该晶体较大功率的激光输出,其输出功率为1.91W,斜效率为28%,光转化效率为18.6%。另外,我们推断通过对谐振腔的进一步优化,有望获得更高功率的激光输出。
化树满[8]2005年在《掺镱钇铝石榴石晶体的生长、缺陷、光谱和激光性能研究》文中认为InGaAs LD泵浦源的出现和人们对LD泵浦的固体激光器的高效、高功率、小型化和集成化的追求，Yb:YAG晶体由于具有良好的光谱特性、优异的光学、热力学和机械特性而成为研究的热点。 本文采用固相法合成了YAG相的高纯原料，用提拉法成功地生长了不同掺杂浓度的Yb:YAG晶体，获得了理想的生长工艺参数，并对晶体的生长气氛及退火工艺进行了研究。探索了Yb:YAG晶体的加工工艺，并对加工过的晶体进行了光学均匀性的检测。用光学法和化学腐蚀法研究了晶体的缺陷，并分析了缺陷成因。测试分析了晶体的光谱特性，运用Judd-Ofelt光谱分析理论计算了Yb:YAG晶体的有关光谱参数，对晶体的“可见荧光”产生机理进行了探讨。在室温下，测试了光谱的激光性能。用940nm的InGaAs LD泵浦8mm×8mm×1mm的Yb:YAG晶体薄片，在连续泵浦功率为1W的条件下，获得了112.3mW 1.03μmTEM_(00)激光输出，光—光转换效率为11.2％，斜效率为35％。
张会丽[9]2017年在《2.8-3.1微米Ho~(3+)掺杂激光晶体的生长与性能研究》文中进行了进一步梳理2.8-3.1 μ中红外激光波段处于水的强吸收带,在生物医疗中有着重要而广泛的应用;该波段激光还可用作光参量振荡的泵浦源,实现3-15 μm的中远红外激光输出,在光电对抗、反恐以及环境污染监测等方面也有着重要的应用。基于2.8-3.1 μm波长激光在上述几个方面的重要应用,因此探索能够实现该波段激光输出的新型稀土掺杂激光晶体是一个重要的研究方向,国内外众多研究机构开展了广泛而深入的研究。目前,已实现中红外激光输出的稀土激活离子主要有Er3+、Tm3+、Ho3+等,但Er3+、Tm3+等激活离子在一般条件下所形成的激光跃迁大多是线状谱。因此,较难在2.8-3.1 μm范围内获得应用所需要的某些特殊波长。相比而言,掺Ho3+离子的激光晶体在2.8-3.1μm波长范围内的荧光谱为宽带谱,可获得调谐激光输出,能够满足某些特殊波长应用的需求,这是其它稀土离子掺杂晶体不具备的性能。因此,Ho3+掺杂中红外激光将是未来激光技术发展的一个趋势。本论文将对Ho3+掺杂的YAP和GYSGG晶体进行系统地研究,以使Ho3+离子的调谐性能与YAP和GYSGG基质晶体的优势相结合,充分发挥各自的特性。此外,我们借鉴前人的研究结果,采用Yb3+单掺或Cr3+,Yb3+双掺对激活离子Ho3+进行敏化,以达到提高泵浦效率的目的;还研究了通过掺入能级耦合离子来降低激光下能级寿命,从而减小泵浦阈值,提高激光效率。本论文的主要研究内容和结果如下:一、通过优化晶体生长工艺,采用熔体提拉法成功生长出了高光学质量的Ho:YAP、Yb,Ho:YAP、Yb,Ho,Pr:YAP、Cr,Yb,Ho:YAP 和 Cr,Yb,Ho,Eu:YAP 晶体,对晶体的结构和结晶质量进行了表征,XRD结果表明掺杂离子未改变YAP基质的类钙钛矿结构;X射线摇摆曲线表明Ho3+掺杂YAP系列晶体具有良好的结晶质量。另外,我们还分析了 YAP系列晶体中的缺陷类型及形成原因,可以为优化生长工艺并获得高质量单晶体提供依据和指导。二、表征了 Cr,Yb,Ho,Eu:YAP晶体的基本物理性能,主要包括密度、比热、热膨胀系数、热扩散系数、热导率以及德拜温度等,并对晶体沿a、b、c叁个结晶轴方向的热学性质随温度的变化规律进行了分析。结果表明,其热学性质具有各向异性的特点,b方向具有较小的热膨胀系数和较高的热导率,这些数据可以为晶体生长及其应用提供有用的指导。叁、研究了 Cr3+,Yb3+,Ho3+,Pr3+/Eu3+掺杂YAP晶体的光谱性能,主要包括常温下的吸收、荧光光谱及荧光寿命等,并分析了掺杂离子间的能量传递过程。结果表明,Yb3+单掺或Cr3+,Yb3+共掺可以作为激活离子Ho3+的敏化剂,Pr3+或Eu3+可以作为退激活离子,使得激光下能级寿命得到一定程度的降低,Yb,Ho:YAP、Yb,Ho,Pr:YAP、Cr,Yb,Ho:YAP 和 Cr,Yb,Ho,Eu:YAP 晶体是有潜力的2.8-3.1μm激光材料。我们还对其激光性能进行了表征,在Cr,Yb,Ho:YAP晶体上首次实现了闪光灯泵浦的激光输出,采用平行平面谐振腔结构,在重复频率为5 Hz,输出镜透过率为30%的条件下,获得最大平均功率55 mW的激光输出,但是其激光输出功率和效率均比较低,有待进一步研究。四、采用熔体提拉法成功生长出光学质量优良的Cr,Yb,Ho,Pr:GYSGG晶体,其尺寸为Φ26 mm×80 mm。研究了晶体的吸收光谱、荧光光谱及荧光寿命,计算得到吸收系数、受激发射截面与能量传递效率等光谱参数。此外,采用闪光灯作为泵浦源,利用平-平腔结构首次实现了 Cr,Yb,Ho,Pr:GYSGG晶体2.84μm中红外激光输出。在重复频率5 Hz,输出镜透过率5%的条件下,Cr,Yb,Ho,Pr:GYSGG晶体的最小激光阈值约为29.0 J,最大平均功率为257 mW,电-光转换效率为0.033%,斜效率为0.040%,表明Cr,Yb,Ho,Pr:GYSGG晶体是一种有潜力的新型抗辐照中红外激光增益介质。本论文工作为发展新型中红外激光晶体Cr,Yb,Ho,Pr/Eu:YAP和Cr,Yb,Ho,Pr:GYSGG提供了参考,也为其实际应用奠定了基础。
张世明[10]2016年在《镱离子掺杂钒酸钇和磷酸钇系列激光晶体的生长和机理探究》文中研究说明随着激光二极管技术的发展,全固态激光器以其高效率、高集成度、高稳定性等特点为科研、军事、医疗、材料加工以及日常生活的各个领域的发展起到了非常重要的作用。激光增益介质是激光技术的一个核心要素,优秀的增益介质会为激光技术带来快速发展。激光晶体材料作为一类及其重要的激光增益介质,其高质量、大尺寸的晶体生长往往具有里程碑式的意义,比如掺钕钇铝石榴石晶体和掺钕钒酸钇晶体。通过对晶体结构的理解和晶体缺陷的表征分析从而优化生长工艺是获得高质量、大尺寸晶体的有效手段。镱掺杂钒酸盐系列晶体也是一类优异的激光晶体材料,其在连续激光和脉冲激光领域都表现优异,并且还存在激光双稳态和偏振态转化等特殊的激光表现。对此系列晶体激光性能进行研究,能够有助于获得更优异的激光输出并在一定程度上指导新晶体的探索。目前,镱掺杂钒酸盐系列晶体中Yb:YVO_4、Yb:LuVO_4、Yb:GdVO_4、Yb:Y_xGd1-xVO_4,Yb:LuxGd1-xVO_4的激光性能都已报道,只有Yb:Y_xLu_(1-x)VO_4晶体还没有被生长,我们利用提拉法对其进行晶体生长并进行性能表征。正磷酸盐晶体与钒酸盐晶体具有相同的晶体结构和优异的物理化学性质,镱掺杂正磷酸盐系列晶体也初步表现出优异的激光性能。正磷酸盐晶体的生长难度大,需要在突破晶体生长工艺的基础上全面展开激光等性能的研究。本文主要工作有:首次利用提拉法成功生长出Yb:Y_xLu_(1-x)VO_4系列晶体。介绍了晶体生长设备、原理以及主要工艺流程,结合晶体热力学理论讨论了生长过程中的晶体形貌特点,并讨论了不同生长阶段时生长温度对晶体外形的的影响。从热力学和动力学两个角度讨论了影响晶体质量的因素,比如原料纯度、温场、籽晶选择和退火程序等等。利用不同的腐蚀剂以及腐蚀时间对Yb:Y_xLu_(1-x)VO_4晶体的(100)面和(001)面进行腐蚀,通过观察晶体表面的蚀坑表征分析晶体中的位错密度和分布。利用透射电子显微电镜(TEM)的衍衬像观察晶体(100)面样品中的位错形貌特点。腐蚀法和TEM衍衬像结果均显示出晶体中[001]取向的位错线密度要大于[100]取向,结合晶体结构讨论了晶体中位错的形貌特点。通过高分辨电子显微技术直接观察到晶体中的刃型位错的结构,并观察到伯格斯矢量大小相等方向相反的成对刃型位错。对晶体进行热膨胀系数测试,并结合晶体结构讨论了晶体中成对出现的刃型位错的可能的形成原因:晶体在高温生长结束后的降温过程中,由于晶体的热膨胀各向异性引起的热应力,使得晶体中完整晶面断裂形成两个刃型位错。利用焦磷酸铅助熔剂体系对Yb:YPO_4晶体进行助熔剂法自发成核生长。讨论了改变助熔剂体系中氧化铅和五氧化二磷的组分配比对晶体生长造成了的影响。为了改善晶体生长时物质输运条件,通过向体系中添加碱金属离子降低体系粘度,晶体尺寸显着增大同时成核数量减少。XRD测试表明添加物没有造成晶体结构变化,证明了生长体系改进的有效性。对晶体进行了偏振吸收光谱测试,计算得到了吸收截面和吸收线宽。首次在室温下成功获得了Yb:YPO_4晶体的连续激光运转,在2.2W的吸收功率下得到了0.36W的激光输出。测试得到了晶体的不同输出耦合下激光发射光谱。
参考文献：
[1]. 激光晶体等径生长控制系统的研究[D]. 吴茂兴. 西安理工大学. 2003
[2]. 晶体生长超低速控制技术的研究[D]. 王延军. 北京化工大学. 2009
[3]. 激光晶体生长自动直径控制（ADC）技术研究[D]. 董淑梅. 西安理工大学. 2005
[4]. 基于ARM的激光晶体炉上称量控制系统研究[D]. 尚付鹏. 西安理工大学. 2009
[5]. 上称重法生长掺稀土钨酸钆钾及若干新晶体结构设计与制备[D]. 陈捷. 福州大学. 2009
[6]. 掺钕硅酸镓镧（Nd：LGS）晶体生长及其性质研究[D]. 范泽. 山东大学. 2010
[7]. 几种氧化物晶体的数值模拟、生长及性质研究[D]. 于永贵. 山东大学. 2009
[8]. 掺镱钇铝石榴石晶体的生长、缺陷、光谱和激光性能研究[D]. 化树满. 长春理工大学. 2005
[9]. 2.8-3.1微米Ho~(3+)掺杂激光晶体的生长与性能研究[D]. 张会丽. 中国科学技术大学. 2017
[10]. 镱离子掺杂钒酸钇和磷酸钇系列激光晶体的生长和机理探究[D]. 张世明. 青岛大学. 2016