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镁/铟/铪与钬双掺铌酸锂晶体微观结构和光学特性

作　者: 代丽
导　师: 郭景杰；徐玉恒
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 铌酸锂晶体 钬掺杂 缺陷结构 上转换发光 Judd-Ofelt理论 抗光损伤能力
分类号: O734.3
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


本研究采用提拉法生长出Mg: Ho: LiNbO3、In: Ho: LiNbO3及Hf: Ho: LiNbO3三个系列晶体材料,讨论了晶体生长的工艺参数（温度梯度、旋转速度和提拉速度等）对晶体生长的影响,探索最佳工艺参数生长出了无宏观缺陷、光学均匀性较好的晶体。采用电感耦合等离子质谱法测试掺杂离子在晶体中的浓度。详细分析了Mg、In和Hf在铌酸锂晶体内的分凝系数及Li/Nb比随着Mg、In和Hf掺杂浓度改变的规律。结果表明: Mg2+和Hf4+浓度的增加使晶体中Mg、Hf和Ho的分凝系数降低,而In3+浓度的增加使In的分凝系数减小,Ho的分凝系数逐渐提高。通过红外OH-吸收谱、紫外-可见吸收光谱、X射线粉末衍射和差热分析,详细研究了Mg: Ho: LiNbO3、In: Ho: LiNbO3及Hf: Ho: LiNbO3晶体的缺陷结构以及Mg、In与Hf的掺杂浓度的变化对掺杂离子在晶体中占位的影响规律。研究发现: Mg、In和Hf在低于各自的阈值浓度时,都是优先取代反位铌N b4L+i; Mg、In和Hf的掺杂浓度达到或高于各自的阈值浓度时,晶体的本征缺陷反位铌完全被取代,这时Mg2+、In3+和Hf4+将同时占据正常的Li和Nb位,但是三种离子占据Li位和Nb形成的缺陷基团不同:Mg2+以占据Li为主,形成3 Mg +L i -Mg3N-b;In3+占据Li和Nb位,形成In 2L+i -In2N-b;Hf4+以占据Nb为主,形成Hf L3i+ -3HfN-b。利用上转换实验装置,测试了Mg: Ho: LiNbO3、In: Ho: LiNbO3及Hf: Ho: LiNbO3晶体在波长为808nm激发源激发的上转换发光光谱。发现Mg、In和Hf的掺杂浓度对其上转换光谱的光强产生影响,同时确定了Mg: Ho: LiNbO3、In: Ho: LiNbO3及Hf: Ho: LiNbO3晶体的上转换发光机制,均为双光子过程。根据紫外-可见吸收光谱的测试结果,利用Judd-Ofelt理论,计算了Mg: Ho: LiNbO3、In: Ho: LiNbO3及Hf: Ho: LiNbO3晶体中Ho3+的唯象强度参数,同时计算出Ho3+离子部分能级的自发辐射跃迁几率、荧光分支比、荧光寿命以及积分发射截面等光谱参数。实验结果显示:Mg、In和Hf的掺杂导致Ho的9个吸收峰的强度明显改变、某些吸收峰的峰位发生红移等丰富的吸收光谱特性;当Mg2+、In3+的掺杂浓度超过阈值后分别增加到10mol%和5mol%时,其晶体的吸收峰强度显著增强;掺Hf4+的钬铌酸锂晶体吸收峰的强度与掺Mg2+、In3+的晶体变化规律不同,Hf4+的掺杂浓度低于阈值浓度时峰强均减弱;Hf4+的掺杂浓度高于阈值浓度时,吸收峰的峰强增强。采用透射光斑畸变法和光致散射阈值曝光能量流法两种方法,针对Mg: Ho: LiNbO3、In: Ho: LiNbO3和Hf: Ho: LiNbO3晶体的抗光损伤性能进行了系统研究。实验结果表明晶体的抗光损伤能力随着Mg、In和Hf掺杂浓度的提高而提高,并且掺杂浓度掺达到或高于各自的阈值浓度时,抗光损伤能力提高至少两个数量级,而Mg和Hf离子在超过掺杂离子的阈值浓度达到10mol%和8mol%时抗光损伤能力有所减弱。

全文目录


摘要  3-5
Abstract  5-13
第1章 绪论  13-28
  1.1 课题背景  13-14
  1.2 Ho离子的发光特性和上转换发光机制  14-18
    1.2.1 Ho离子的光谱特性  14
    1.2.2 上转换发光机制  14-18
  1.3 Ho离子掺杂晶体的研究进展  18-19
  1.4 铌酸锂晶体的研究进展  19-25
    1.4.1 LiNbO_3 晶体的性质  19-20
    1.4.2 LiNbO_3 晶体的结构  20-21
    1.4.3 LiNbO_3 晶体中的本征缺陷  21-23
    1.4.4 LiNbO_3 晶体中的非本征缺陷  23-24
    1.4.5 LiNbO_3 晶体抗光损伤性能的研究进展  24-25
  1.5 本论文研究的目的及意义  25-26
  1.6 本论文的主要研究内容  26-28
第2章 实验材料与实验方法  28-54
  2.1 材料选择与掺杂离子的性质  28-31
    2.1.1 材料选择  28-29
    2.1.2 掺杂离子极化能力的分析  29-30
    2.1.3 掺杂离子的阈值浓度  30-31
  2.2 晶体的生长  31-49
    2.2.1 原料的配比  32-34
    2.2.2 晶体的生长设备  34-36
    2.2.3 晶体的生长过程  36-39
    2.2.4 晶体生长的工艺参数  39-46
    2.2.5 晶体的极化及加工  46-49
  2.3 晶体组分测试  49-50
  2.4 晶体性能测试  50-54
    2.4.1 红外吸收光谱测试  50
    2.4.2 紫外吸收光谱测试  50
    2.4.3 X射线衍射光谱测试  50-51
    2.4.4 差热分析测试  51
    2.4.5 上转换光谱测试  51-52
    2.4.6 抗光损伤能力测试  52-54
第3章 镁(铟铪)与钬双掺铌酸锂晶体的离子分凝系数和微观结构特征  54-81
  3.1 晶体掺杂离子的分凝系数  54-60
  3.2 晶体的红外吸收光谱分析  60-66
  3.3 晶体的紫外吸收边分析  66-70
  3.4 晶体的X射线粉末衍射分析  70-78
  3.5 晶体的居里温度确定  78-80
  3.6 本章小结  80-81
第4章 镁(铟铪)与钬双掺铌酸锂晶体的上转换发光性能  81-93
  4.1 双掺Mg:Ho:LiNbO_3 晶体的上转换发光性能  81-86
    4.1.1 Mg:Ho:LiNbO_3 的上转换发光谱  81-83
    4.1.2 Mg:Ho:LiNbO_3 的上转换发光机制  83-85
    4.1.3 MgO的掺量对Ho:LiNbO_3 上转换发光的影响  85-86
  4.2 双掺In:Ho:LiNbO_3 晶体的上转换发光性能  86-88
    4.2.1 In:Ho:LiNbO_3 的上转换发光谱  86-87
    4.2.2 In: Ho: LiNbO_3 上转换发光机制  87-88
    4.2.3 111203 的掺量对Ho:LiNbO_3 上转换发光的影响  88
  4.3 双掺Hf:Ho:LiNbO_3 晶体的上转换发光性能  88-91
    4.3.1 Hf:Ho:LiNbO_3 的上转换发光谱  88-90
    4.3.2 Hf:Ho:LiNbO_3 的上转换发光机制  90
    4.3.3 Hf02 的掺量对Ho:LiNbO_3 上转换发光的影响  90-91
  4.4 本章小结  91-93
第5章 镁(铟铪)与钬双掺铌酸锂晶体的吸收特性及 J-O理论分析  93-121
  5.1 镁(铟铪)与钬双掺铌酸锂晶体的吸收特性  93-97
    5.1.1 Mg: Ho: LiNbO_3 晶体的吸收特性  93-95
    5.1.2 In: Ho: LiNbO_3 晶体的吸收特性  95-96
    5.1.3 Hf: Ho: LiNbO_3 晶体的吸收特性  96-97
  5.2 镁(铟铪)与钬双掺铌酸锂晶体的J-O理论分析  97-120
    5.2.1 Judd-Ofelt理论  97-101
    5.2.2 Mg: Ho: LiNbO_3 晶体的J-O理论分析  101-109
    5.2.3 In: Ho: LiNbO_3 晶体的J-O理论分析  109-114
    5.2.4 Hf: Ho: LiNbO_3 晶体的J-O理论分析  114-120
  5.3 本章小结  120-121
第6章 镁(铟铪)与钬双掺铌酸锂晶体的抗光损伤性能  121-135
  6.1 光斑畸变法测试晶体的抗光损伤能力  121-126
  6.2 光散射阈值能量流法测试晶体的抗光损伤能力  126-132
  6.3 抗光损伤能力增强机理  132-133
  6.4 本章小结  133-135
结论  135-136
创新点  136
展望  136-138
参考文献  138-151
攻读学位期间发表的学术论文及其他成果  151-154
致谢  154-155
个人简历  155

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中图分类: > 数理科学和化学 > 晶体学 > 晶体物理 > 晶体的光学性质 > 发光现象
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