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非线性光学晶体Ca_5（BO_3）_3F及其Nd~（3+）掺杂的生长与研究

作　者: 夏明军
导　师: 李如康
学　校: 中国科学院研究生院（理化技术研究所）
专　业: 物理化学
关键词: 非线性光学晶体 Ca5（BO3）3F 助熔剂 自倍频晶体 Nd:Ca5（BO3）3F 光谱性质 晶体结构 CsLi2Gd4（BO3）5
分类号: O782
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要


本论文主要研究了紫外非线性光学晶体的Ca5（BO3）3F（简写为CBF）生长以及Nd3+掺杂的生长与光谱性能的研究,并且发现稀土硼酸盐体系新化合物CsLi2Gd4（BO3）5。1. Ca5（BO3）3F晶体的研究本部分主要是探索新的助熔剂体系生长Ca5（BO3）3F晶体,找到了适合生长Ca5（BO3）3F晶体的几种助熔剂:用Li2O-B2O3-CaF2-LiF助熔剂能够在较低的生长温度（850°C左右）生长出透明部分较大、质量较高的完整的Ca5（BO3）3F晶体,并且体系的挥发程度较轻。测试了CBF晶体的透过范围,发现该晶体的紫外吸收边在190nm,300-2500nm范围的透过率有80%以上。CBF晶体可能是一种性能优异的紫外非线性光学晶体。2. Nd3+掺杂Ca5（BO3）3F晶体的研究利用Li2O-B2O3-CaF2-LiF助熔剂体系,分别生长出掺杂浓度为1%、2%、4%和6%的Nd:Ca5（BO3）3F晶体。也分别尝试用泡生法和顶部籽晶两种方法来生长Nd:CBF晶体,在晶体的生长过程中发现同样的助熔剂体系生长出的Nd:CBF晶体要比纯的CBF晶体的质量要好,更加完整。使用电感耦合等离子原子发射光谱对两种不同掺杂离子浓度进行分析,Nd:CBF晶体的Nd3+离子的分凝系数是65.8%（4%Nd:CBF）和52.8%（2%Nd:CBF）。此外对2%Nd:CBF晶体的透过、荧光光谱等进行了研究。根据J-O理论计算了Nd:CBF晶体中的Nd3+离子偶极跃迁的谱线强度S以及唯象强度系数Ωt （t=2,4,6）,它们的值分别是Ω2 = 5.22×10-20 cm2,Ω4 = 1.91×10-20 cm2和Ω6 = 1.30×10-20 cm2。同时计算了4F3/2→4I9/2和4F3/2→4I11/2跃迁几率: 589.0s-1和536.8 s-1,辐射寿命τr=817.6μs。各个发射带的荧光分支比分别为β（877nm）=0.48,β（1051 nm）=0.44,β（1330 nm）=0.076,β（1830 nm）=0.004。通过测量Nd:CBF晶体的荧光光谱和荧光寿命（51.8μs）,计算得到发射截面σe （877nm）=0.69×10-19cm2,σe （1051nm）=0.63×10-19cm2,和量子效率ηc=6.3%。由于4F3/2→4I9/2的跃迁几率Ar和发射截面σe都比4F3/2→4I11/2稍大,因此在877nm的辐射较强,有利于自倍频产生蓝光。对比于其他自倍频晶体，Nd：CBF晶体的荧光寿命同NGAB晶体差不多，比Nd：GdCOB晶体的发射截面大，同时Nd：CBF晶体也具有较大的倍频系数，因此，Nd：CBF晶体可能是一种潜在的、新型自倍频晶体。3．稀土硼酸盐CsLi2Gd4（BO3）5化合物CsLi2Gd4（BO3）5化合物，空间群为P2／n，单胞参数为：a=10．644（2）A，b=6．4661（15）A，c=20．093（4）A，β=105．250（16）。Z=4；它的阴离子结构基团是平面的B03基团，5个不同晶体学位置的Gd原子形成两种类萤石结构的基本框架的Gd-O链，一条是包含Gd2和Gd4的Gd3O17链，另一条是包含Gd1，Gd3和Gd5的链，其中该链的两端分别与BO3基团相连形成Gd5O29（BO3）2链。两条Gd-O链通过共享的O原子在ac平面形成二维的[Gd8O16（BO3）2]14-的层状结构，这个层与平面外的BO3基团在b方向相连形成三维的网络结构。用Rb来替代CsLi2Gd4（BO3）5晶体中的Cs时，同样能够得到相应的化合物。由于该化合物与CsLi2Gd4（BO3）5的结构同构，对RbLi2Gd4（BO3）5指标化，得出单胞参数为a=10．433 A，b=6．325 A，c=19．688 A，β=105．09

全文目录


摘要  3-5
Abstract  5-10
第一章 绪论  10-36
  1.1 引言  10-12
  1.2 几种重要的氟硼酸盐非线性光学晶体简介  12-16
  1.3 激光自倍频晶体  16
  1.4 常用的激光自倍频晶体简介  16-21
  1.5 无机类晶体的一些生长方法与技术  21-23
  1.6 本论文的主要研究内容和创新点  23-25
  附录:主要的化学试剂和仪器设备:  25-26
  参考文献  26-36
第二章 紫外非线性光学晶体 Ca_5(BO_3)_3F 生长与研究  36-54
  2.1 引言  36
  2.2 Ca_5(BO_3)_3F晶体研究背景  36-40
    2.2.1 CBF 晶体的结构  36-38
    2.2.2 Ca_5(BO_3)_3F与RCOB(R=La，Nd，Sm，Gd，Er和Y)族化合物的比较  38-40
    2.2.3 CBF 晶体的生长方面  40
  2.3 实验部分  40-50
    2.3.1 固相粉末合成  40-41
    2.3.2 新助熔剂的探索  41-44
    2.3.3 CBF 晶体的助熔剂法生长  44-49
      2.3.3.1 泡生法生长CBF 晶体  44-47
      2.3.3.2 顶部籽晶法生长CBF 晶体  47-49
    2.3.4 晶体生长的影响因素  49-50
  2.4 CBF 晶体的透过光谱  50-51
  2.5 小结  51-52
  参考文献  52-54
第三章 Nd~(3+)：Ca_5(BO_3)_3F 的生长与光谱研究  54-70
  3.1 引言  54
  3.2 固相合成  54-55
  3.3 Nd~(3+)：CBF 晶体的生长  55-58
    3.3.1 Nd~(3+)：CBF 晶体的生长  55-58
    3.3.2 Nd~(3+)：CBF 晶体的分凝系数  58
  3.4 Nd~(3+)：CBF 晶体的光谱研究  58-66
    3.4.1 Nd~(3+)：CBF 晶体的透过、吸收光谱  58-60
    3.4.2 光谱计算  60-66
      3.4.2.1 吸收截面  60-61
      3.4.2.2 谱线强度和唯象强度系数  61-62
      3.4.2.3 跃迁几率和辐射寿命  62-63
      3.4.2.4 荧光光谱  63-65
      3.4.2.5 Nd：CBF 晶体的荧光寿命  65-66
  3.5 小结  66-68
  参考文献  68-70
第四章 稀土硼酸盐 CsLi_2Gd_4(BO_3)_5化合物  70-84
  4.1 引言  70
  4.2 CsLi_2Gd_4(BO_3)_5 的结构  70-78
    4.2.1 CsLi_2Gd_4(BO_3)_5 的单晶生长  70-71
    4.2.2 晶体结构的测定  71-75
      4.2.2.1 粉末X 射线衍射  71
      4.2.2.2 单晶结构解析  71-75
    4.2.3 单晶结构的描述  75-78
  4.3 RbLi_2Gd_4(BO_3)_5 的合成  78-79
  4.4 小结  79-80
  参考文献  80-84
第五章 全文总结  84-88
  5.1 本论文的主要工作  84-85
  5.2 需要下一步的开展的工作及建议  85-88
攻读博士学位期间获得的主要成果  88-89
致谢  89

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中图分类: > 数理科学和化学 > 晶体学 > 晶体生长 > 晶体生长工艺
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