QPCPA用掺杂铌酸锂晶体的生长与性能研究

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准参量啁啾脉冲放大(QPCPA)是近年来提出的一种新型激光脉冲放大技术,兼具啁啾脉冲放大(CPA)高转换率和光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)大带宽的优点,具有十分广阔的应用前景,其核心元件之一便是掺杂特定离子的非线性光学晶体。目前能够成功实现该类技术的非线性光学晶体仅有掺杂Sm离子的YCOB晶体,较窄的透过率范围使得该类晶体无法满足波长超过2500nm的QPCPA放大,需要寻找更多可以进行应用的QPCPA材料。为利用QPCPA技术实现3000nm附近的激光脉冲放大,本论文选择将不同浓度的Pr离子(0.5mol%、1mol%、2mol%)掺杂进入Li Nb O3晶体以完成对闲频光(1588nm)的吸收,同时进行Pr:Mg:Li Nb O3晶体(Pr离子浓度为0.5mol%、Mg离子浓度为5mol%)的生长以确定Mg离子掺杂是否能够改善晶体抗光损伤阈值。本论文通过固相混合法优化烧结工艺合成出高纯度的掺杂Li Nb O3多晶原料,并通过设计优化炉腔结构、改进生长参数成功利用提拉法与下降法完成了所设计的Li Nb O3系列晶体的生长。本论文针对晶体的物相结构、缺陷结构、掺杂离子组分、Li元素含量、热学性质、光谱性质以及抗光损伤阈值开展了相关研究。晶体的X射线粉末衍射结果表明掺杂Li Nb O3晶体的物相结构并没有发生明显改变;通过对生长出的晶体进行极化与腐蚀,可以观察到晶体的位错结构,呈现出三次旋转对称特性;晶体的ICP-OES结果表明Pr离子与Mg离子在晶体中的分凝系数均接近于1,没有发生明显的偏析;通过拉曼光谱对晶体中Li2O的含量进行了计算,结果显示晶体中的Li含量均与同组分晶体相似;通过对晶体的密度、比热、热扩散性质进行测试,计算得到了掺杂晶体的热导率数据,结果表明铌酸锂拥有比YCOB和LGN晶体更高的热导率,在QPCPA的应用上具有一定的优势;晶体的光谱结果表明,晶体在370nm的激发光激发作用下,会在619nm处产生较强的发射峰,且晶体在泵浦光(1030nm)和信号光(3000nm)处具有65%以上的透过率,在1572nm处具有较强的吸收峰,吸收系数达11cm-1,能够完成对闲频光(1588nm)的吸收,均满足QPCPA对所需的非线性光学晶体的光谱性质的要求;利用脉宽为10ns的532nm脉冲激光器对晶体进行抗光损伤测试,结果表明生长的晶体均可以承受来自纳秒脉冲激光器100m J以上的能量,其中Pr-Mg样品的抗光损伤阈值达到4.74×107W/cm2,具有较为不错的抗光损伤能力。研究表明掺镨铌酸锂系列晶体在QPCPA放大器方面具有广阔的应用前景。
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