1、大庆师范学院本科生毕业论文ER3YB3双掺激光材料的研究现状及进展分析院（系）物理与电气信息学院专业物理学研究方向光功能材料学生姓名学号201001071468指导教师姓名指导教师职称副教授/博研年月日大庆师范学院本科毕业论文（设计）I摘要通过查阅资料，本文章在此基础上整理综合分析后，简单介绍了激光材料的发展及在固体激光材料中掺杂稀土离子，稀土元素虽然在激光材料方面有广泛的应用，但主要是研究双掺ER3/YB3稀土离子的激光材料科研工作较多，主要列举了在980NM激光激发ER3/YB3KLTN单晶的研究现状和ER3/YB3LI2OZNOSIO2类透明的玻璃陶瓷激光材料的分析两个应用。关键词激光材
2、料；ER3离子；YB3离子；跃迁大庆师范学院本科毕业论文（设计）IIABSTRACTTHROUGHACCESSTOINFORMATION,THISARTICLEONTHEBASISOFFINISHINGTHECOMPREHENSIVEANALYSIS,THISPAPERINTRODUCESTHEDEVELOPMENTOFLASERMATERIALANDINTHESOLIDSTATELASERMATERIALSDOPEDWITHRAREEARTHIONS,RAREEARTHELEMENTSALTHOUGHTHEREISAWIDERANGEOFAPPLICATIONSINLASERMATERIAL
3、S,BUTMAINLYISTHESTUDYOFDOUBLEDOPEDER3/YB3RAREEARTHFROMMORELASERMATERIALSRESEARCHWORK,MAINLYENUMERATESEXCITATIONER3/YB3IN980NMLASERRESEARCHSTATUSANDTHEER3/YB3CRYSTALKLTNTWOAPPLICATIONOFLI2OZNOSIO2GLASSCERAMICLASERMATERIALSTRANSPARENTKEYWORDSLASERMATERIALS；ER3ION；YB3IONS；JUMP大庆师范学院本科毕业论文（设计）III目录第一章激光
4、材料及稀土元素在激光中的应用111激光材料简介112基质材料113稀土元素在激光材料方面的应用2第二章ER3/YB3双掺激光材料的研究现状221ER3离子能级结构特点222YB3离子能级结构及特点323ER3/YB3双掺激光材料424980NM激光激发ER3/YB3KLTN单晶的研究4241980NM激光激发ER3KLTN上转换发光性能525ER3/YB3LI2OZNOSIO2类透明的玻璃陶瓷原料的准备与光谱的分析7251原材料与其制备方法7252透明玻璃的陶瓷材料的荧光光谱的分析8第三章结束语10参考文献11大庆师范学院本科毕业论文（设计）1第一章激光材料及稀土元素在激光中的应用11激光材料
5、简介激光是由英文LIGHTAMPLIFIEATIONBYSTIMULATEDEMISSIONOFRADIATION的各单词首字母组成的缩写词。意思是“通过受激发射所引起光扩大”。激光技术的发展中心与奠基是激光材料，由激光材料的工作物质状态的不相同，能够将激光材料分成固体、液体、气体三大类。二十世纪六十年代激光得以被大家知晓1。七十年代则完成了掺杂钕钇铝石榴石NDYAG，固体激光开始大力发展。随后八十年代时期飞秒激光的大量科学研究工作进展飞速，并且应用到各个基础与应用学科的范围内，伴随钛宝石晶体的深入科研，可能实现特短和特快、特强激光。最初研究激光材料时，只有较少的几种基质材料，到现在也已经发展
6、到了几十种之多，是各国家和科研学者们甚至是企业范畴的的单位都极为重视的研究工作。二十世纪的六十年代初发展起来的激光与激光科学的相关研究,已在用其超强的力量影响着光电子的科学及其产业发展，而激光材料中的固体激光，在陶瓷研究、玻璃材料、和单晶及光纤等领域全方面超速兴盛。关于激光陶瓷的材料研究暂时还属于初级的阶段，并且有一个最主要的缺憾，它散射的损耗很高。激光玻璃材料的优点是可以进行很好的光学抛光，且有非常大的体积、容易制造。但它也有自己的不足就是其激光阈值偏高、导热性稍差。激光晶体材料相较于激光玻璃来讲，正好可以弥补激光玻璃材料的不足。激光晶体拥有物化和机械性能、较好的导热性和偏低的激光阈值、优秀
7、的光谱和略高的损伤阈值等优势。通过上述的分析及论述，我们可以得出固体激光器的首选的工作物质是激光晶体材料,并且是研究激光工作得发展趋势。12基质材料由分立发光的中心吸收了光泵浦后再转换为激光输出发光的材料称为基质材料。而这一类的材料通常用固体电介质当基质，可以分成晶体、非晶态玻璃的两种类型。其中在玻璃之中激活离子是置身在无序的结构网络，在激光晶体之中激活离子是置身在有序的结构晶格。经常可以用到的此类的激光材料一般是以氧化物与氟化物为其主要成分，例如磷酸盐玻璃、氧化铝晶体和氟化物玻璃及氟化钇锂等。以氧化物为主要成分的材料拥有较好的物理特性，比如较高的机械强度、硬度及较好的化学稳定性；以氟化物为主
8、要成分的材料拥有略高的发光量子的效率大庆师范学院本科毕业论文（设计）2和偏低的声子频率、稍宽的光谱透过范围。13稀土元素在激光材料方面的应用现代激光技术在工业、农业和医学、科研及国防建设等各个方面都获得了较成功的应用,稀土元素在激光技术发展中起到了不可忽视的作用。至今为止发展起来的三百多种的激光晶体材料中，稀土元素是之中许多的激光晶体基质材料的成分,在掺杂激活离子当中稀土元素充当了主角的角色，大约有二百七十种的激光晶体稀土掺杂了激活离子。到至今为止应用在激光材料方面的稀土元素有ER3、YB3和CE3等三价离子与DY2等二价离子2。那么在激光玻璃材料的研究当中同样会掺入稀土离子元素。并且在磷酸盐
9、类玻璃和硅酸盐类玻璃之内掺杂ND元素能够实现激光振荡。特别是掺ND磷酸盐玻璃，具有受激截面大，非线性折射率低，热稳定性好的特点，可用于激光核聚变和高功率输出。日本研究了ND、ER激光玻璃，可期待在高功率输出的固体激光核聚变，X射线及超短波紫外线光源、激光加工等领域中开发新产品。稀土元素也用于液体激光物质，SMCI3是液体激光基质POC13P204CI4SMCI3的组分。液体工作物质具有输出功率大、循环流动、配制方便等特点,液体激光工作物质也采用稀土掺杂。如POCI3ZRCI4ND3CF3COO和POCL3P204CI4SMCI3ND3。第二章ER3/YB3双掺激光材料的研究现状21ER3离子能
10、级结构特点ER3离子是研究单掺体系工作中掺杂的最多的一种离子，而且是较早可观察到其上转换的现象的稀土离子，对它的发光性能研究一直都还是发光领域的热点。ER3离子能级构型比较复杂,不但有六个的亚稳态状态，并可以在十六个的通道中发生受激辐射和多类波长的光跃迁过程。ER3离子可以在红外800NM和980NM等波长的激发下，而完成绿光与红光的上转换的发光性能，再应用ER3离子4I13/24I15/2能级的跃迁，可以在波长为542NM与154M的激发下有ER3蓝色荧光的上转换的发光现象。但是ER3离子有较小的吸收的截面、激光下的能级的寿命偏长、偏低的发效率和较高的激光阈值等不足。科学家在研究的时候为增强
11、其发光的效率,一般情况都要掺杂另外的稀土元素的离子来当作敏化剂。如图1所示能级的结构的示意图是ER3稀土离子的波长在1550NM波长的ER3大庆师范学院本科毕业论文（设计）3离子的光图1ER3离子的能级结构图激光材料品质的高低是决定器件质量的重要标准，可以说是一代的激光材料，一代的光学器件。所以对掺杂ER3离子的激光材料研究是一项特别重要的工作，激光材料和激光器件的有关研究是这几十年来发光及激光的热门领域。22YB3离子能级结构及特点稀土元素中YB3离子的电子的结构是4F13，且只有两个简单电子态3基态2F7/2与激发态2F5/2。下图2所表示的就是YB3稀土离子的结构图图2YB3稀土离子的结
12、构图YB3稀土离子是能级构型特别简易的一种激活离子，其拥有下列优势有较高的光光的转换效率，这是因为YB3离子没有别的激发态的能级结构，换言之就是它没有上转换和激发态的吸收及弛豫振荡等能量的损耗现象，因此可以提升效率；荧光的寿命较长，方便储能、减少吸纳与发射间的量子的缺陷问题；其吸收峰是在970NM的波长左右，可同INGAAS激光的二极管泵浦的波长900NM1100NM高效的155M4I15/220大庆师范学院本科毕业论文（设计）4耦合4。23ER3/YB3双掺激光材料研究工作者都期望获得光束质量高和输出的效率较高的激光，对增益材料来说，不但期望激活离子可以高效的吸收较多的抽运光，而且受激辐射的
13、效率还要很高，所以需要基质材料的性能优良。一般的解决办法是在掺ER3稀土离子的基础上再掺入YB3当成敏化离子，来实现对泵浦激光的吸纳。这是由于YB3的2F5/2能级与ER3离子的4I11/2能级非常接近，当在已经掺杂了ER3稀土离子的材料之中再掺加YB3稀土离子作为敏化剂,这里的YB3稀土离子要先吸纳泵浦光，再把吸纳的都移到ER3的能级上，这样做不仅可提升对泵浦光吸收的效率，并且使激光的振荡阈值减少。总之，在基质中掺入ER3/YB3，通过ER3/YB3间的能量传递ET，能够让YB3离子吸收的抽运光的能量移到ER3离子能级，这样就可以较大程度得增多ER3离子被抽运至激光上的能级的数量，而且能够比
14、较轻松得形成微小粒子的反转5。如下图3表示的是ER3，YB3两种稀土离子的之间能量的传递。图3ER3，YB3两种稀土离子的之间能量的传递24980NM激光激发ER3/YB3KLTN单晶的研究钽铌酸钾锂（KLTN）晶体是钽酸钾锂和铌酸钾锂的固溶体的混合结晶，在钽铌酸钾的前提下由掺杂其他元素改变其性能而得到的6。因它具有大的非线性效应，使其在激光倍频和光学存储、全光网络当中具有广大的应用前景，而引起科学家们的广泛关注。大庆师范学院本科毕业论文（设计）5241980NM激光激发ER3KLTN上转换发光性能图4为980NM激光激发ER3KLTN和ER3/YB3KLTN单晶上转换的荧光光谱。在实验的进行
15、之中晶体发射出了较为鲜亮的绿颜色的荧光，这里掺杂了浓度大小是05MOLKLTN的样品材料，而表现的颜色为黄绿色的荧光。图4980NM激光激发下ER3KLTN单晶中ER3稀土离子的绿色和红色光谱测试的980NM激光激发的02MOLER3/01MOLYB3KLTN样品上转换的光谱，由实验的到的归一化的荧光的光谱如下图5。而相对单掺02MOLER3KLTN的样品，二者主要有下列的不同（1）、掺杂ER3、YB3的材料在665NM波长下红色发光的强度比掺杂ER3的材料要亮；（2）、掺杂ER3、YB3的材料发射出的中心的是在850NM波长左右亮度稍差的红外光，可只掺杂ER3的材料当中却没有这个红外光的发射
16、带。而红色发光的程度显著提升，则有力的表现了在掺杂YB3离子后使980NM波长激发下的ER3的4F9/2能级的粒子数分布加多7。图5显示的是样品中绿色光、红色光产生光的亮度根据泵浦的功率改变而得到的图像，并且与对数的坐标可以对数据实行线性匹配，红色光与绿色光的光带斜率的是N等于173、N等于189，这表明了ER3应用的双光子过程的分布能级分别为4S3/2与4F9/2。700大庆师范学院本科毕业论文（设计）6图5在980NM激光激发下ER3/YB3KLTN单晶中的ER3绿色与红色的上转换的光谱，插图为光的亮度、激发能量双对数的曲线由于YB3为ER3的敏化离子，使YB3与ER3的能量转移的效益比E
17、R3ER3的转移效益要强，因而不计较ER3间能量转移。通过下图6可知，状态为2F7/2能级的YB3离子吸纳了泵浦光子后而跃迁到2F5/2的能级，之后再经过ET1、ET2过程，把ER3稀土离子再激发至4F7/2的能级，然后通过声子协助，无辐射至2H11/2与4S3/2绿色的发光能级；再由ET3过程把在4I13/2的ER3激发至4F9/2红色的发光能级，绿色光、红色光的发射能级分布得以顺利结束，并且各自向基态进行跃迁，而产生绿色光、红色光的上转换的荧光，因为失去了能量，YB3离子要从激发态折回至基态能级。图6显示的是YB3离子和ER3的能级图和980NM波长激发的上转换原理。图6ER3/YB3KL
18、TN单晶中的ER3离子在980NM的波长激发的上转换的原理04大庆师范学院本科毕业论文（设计）7图6的上转换跃迁的过程可表示为YB3GSA2F7/2HV2F5/2ET1YB2F5/2ER4I15/2YB2F7/2ER4I11/2ET2YB2F5/2ER4I11/2YB2F7/2ER4F7/2ET3YB2F5/2ER4I13/2YB2F7/2ER4F9/2较高效益的能量的转移能够让4S3/2的能级分布明显加多，往4I13/2的跃迁而形成850NM波长的红外发光；而由ER3至YB3离子的能量转移EBT1加强4I13/2的能级粒子数的分布。较高效益的ET3让红色光的发射的程度比只掺同等的浓度ER3离
19、子的材料要强。由上述分析可知，双掺ER3、YB3激光材料的研究对科学的发展有着重要的作用，是科学研究中不可或缺的重要工作之一。25ER3/YB3LI2OZNOSIO2类透明的玻璃陶瓷原料的准备与光谱的分析玻璃陶瓷的材料在研究与理论的研究方面，得到了长久的发展，且各种类别的玻璃陶瓷的材料层出不穷。通过查阅资料，本节简单总结了有关双掺ER3/YB3的LI2OZNOSIO2类透明的玻璃陶瓷的研究及其荧光的光谱特性。251原材料与其制备方法基质玻璃的配方为285ZNO215LI2CO3445SIO21SB2O32K2SO425NA2CO31YB2O31ER2O3。其中YB2O3、ER2O3的纯度为99
20、99，其他均为分析纯。高温的熔制设备应用的是15千瓦卧式的MOSI2的电炉，用PT13RH/PT的热电偶进行测温，而控制装置采用807T型智能的控温仪器。其控制的精度是2MIN1。坩埚则用刚玉材质的器皿。对其原料初次加工时，要磨碎每种原料，让它们完全混合，使其粒度均匀，防止由于粒度不均，在融化的过程之中而有分层或条纹的出现。把所备原材料充分混合后，再在不同时间加入到1200的坩埚之中，这时并没有到达SIO2的熔点，且坩埚当中的熔体粘度较低，适于碳酸盐分解及CO2的脱离，继续加热至1400摄氏度，再保温1小时，让其完全融化及充分混合，再利大庆师范学院本科毕业论文（设计）8用搅拌器，使熔体完全混合
21、，在高温、搅拌的作用下使小气泡与溶解在熔体之中的气体缓慢逸出。把玻璃熔体放到模具中，利用急遽低温迅速成型。紧接着马上把模具放入在温度约为500摄氏度的马弗炉当中，再退火约1小时的时间，来减弱玻璃的内应力，防御玻璃的炸裂。之后以10MIN1的速率把已成型了的玻璃降至室温，从而得到基质玻璃。基质玻璃还要经过做热处理，让其晶化而获取玻璃陶瓷的材料8。252透明玻璃的陶瓷材料的荧光光谱的分析因为只掺ER3稀土离子也许在晶化的时候会使ER3富集，而引起的浓度猝灭的现象，所以应用双掺ER3、YB3离子。且YB32F7/22F5/2吸收带和4I15/22F13/2的吸收带重合，同时在材料当中掺入ER3、YB
22、3，使YB3离子2F5/2的能级和ER3稀土离子进行能量的转移，能够高效的提升ER3离子发光的效率、强度及其能级寿命。YB3电子的结构是4F13，其基态能级是2F7/2，并且只有一个激发态的2F5/2与一对的4F能级进行跃迁，固没有激发态的吸收的相关影响，并拥有高效率的光转化现象，而且YB3的能带吸收面较为宽阔，在波长为900NM1000NM的范围之中，其吸收的截面一般较大，所以对其激发源的要求并不高。图7是双掺ER3离子、YB3离子的透明的玻璃陶瓷和基质玻璃材料的荧光光谱，其激发的光源是980NM波长。图7双掺ER3、YB3的基质玻璃和透明的玻璃陶瓷材料的光谱能够看出780NM波长的附近有上
23、转换峰。当中与780NM波长相对的是4I9/24I15/2的跃迁过程。由图可知，透明的玻璃陶瓷材料发射峰比基质玻璃材料要大很多，主要的原因是基质玻璃材料内离子的方圆存在很强的声子能。但是玻璃陶瓷材料的大庆师范学院本科毕业论文（设计）9声子能的大小偏低，这样就有助增强ER3、ER3稀土离子的能量传送，因此提升了它发光的力度。通过对LI2OZNOSIO2类玻璃陶瓷的材料综合分析可知，双掺ER3、YB3稀土离子之后，材料表现出了其良好的光学性能，并在红外波段拥有明显的发射峰。大庆师范学院本科毕业论文（设计）10第三章结束语通过对激光材料和稀土元素在激光材料方面应用的简单介绍，可知在激光材料中双掺ER
24、3、YB3离子可以避免由于高浓度而引起的猝灭现象9，提高上转换效率。科学家已经在研制将ER3、YB3离子掺杂到更多的激光材料中，这是一项艰巨而非常有意义的工作。大庆师范学院本科毕业论文（设计）11参考文献1徐军等光晶体的研究现状和未来发展趋势上海光学和力学研究协会2丁碧云稀土元素在激光材料中的应用湖南省科学技术委员会19943傅岳龙掺YB3激光晶体的研究进展中国地质大学材料科学与工程学院20104董俊等被动调Q掺YB3激光材料固体微片激光器的研究进展厦门大学20105宋峰ER3/YB3共掺磷酸盐玻璃的发光与154MM激光性能南开大学20076李磊ER3及ER3/YB3掺杂钽铌酸钾锂晶体生长和光谱性能哈尔滨工业大学20117吴季掺ER3,YB3钨酸钾忆激光晶体的生长与性能研究福建师范大学20108张洪波等ER3YB3双掺LI2OZNOSIO2系玻璃陶瓷的制备及表征长春理工大学20109杨俊杰等ER/YBKYW晶体的各向异性光谱性能研究龙岩学院物理与机电工程学院2011
