人工晶体学报

“激光与非线性光学晶体”专题编者按

苏良碧, 吴少凡, 潘世烈

2023, 52(7): 1167-1168.

摘要 ( 66 )

PDF (3050KB) ( 156 )

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倍半氧化物晶体及其1~3 μm波段激光性能研究进展

王萌萌, 尹延如, 丁晓圆, 张晶, 付秀伟, 贾志泰, 陶绪堂

2023, 52(7): 1169-1194.

摘要 ( 231 )

PDF (20226KB) ( 528 )

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倍半氧化物具有优异的热学性能、稳定的物化性能、低的最大声子能量和强的晶体场,是理想的高功率、大能量激光基质材料。倍半氧化物具有超高熔点,因此其高质量、大尺寸的晶体制备极其困难,研究人员对此进行了长期的研究探索。近年激光技术发展对高品质倍半氧化物单晶的迫切需求促使相关晶体的生长技术取得了突破。本文在简单介绍倍半氧化物性能与结构的基础上,详细综述了Lu₂O₃、Sc₂O₃、Y₂O₃倍半氧化物晶体的生长方法及缺陷种类,系统总结了稀土离子掺杂的倍半氧化物在1~3 μm波段内的激光性能,最后对其未来的研究与发展方向进行了展望。

Yb∶CaGdAlO₄晶体及其超快激光技术研究进展

刘小虎, 李坚富, 朱昭捷, 涂朝阳, 王阁阳, 杨金芳, 朱江峰, 王燕

2023, 52(7): 1195-1207.

摘要 ( 160 )

PDF (7826KB) ( 256 )

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Yb∶CaGdAlO₄(简写为Yb∶CALGO)晶体具有部分无序的结构、优秀的热学和光谱性质、吸收发射带宽,适合采用商用高功率InGaAs二极管泵浦以实现高功率超快激光运转,其较高的非线性折射率系数有利于对锁模激光器的优化。该晶体还具有能级结构简单、本征量子缺陷低、辐射量子效率高等优点,是近年来新一代紧凑型、高效率、低成本激光二极管(LD)泵浦飞秒激光增益介质。本文简要介绍Yb∶CALGO的晶体结构、晶体生长、缺陷分析、热学性质和光谱性质等,并综合国内外学者近期的一些研究成果,重点综述了Yb∶CALGO晶体在半导体可饱和吸收镜、克尔透镜锁模的超快激光器及再生放大器超快激光技术中的最新研究进展。

Nd,Y∶SrF₂激光晶体的位错缺陷表征及分布研究

王迪, 汤港, 张博, 王墉哲, 张中晗, 姜大朋, 寇华敏, 苏良碧

2023, 52(7): 1208-1218.

摘要 ( 116 )

PDF (13318KB) ( 162 )

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氟化物激光晶体Nd,Y∶SrF₂(NYSF)具有热导率高、发射光谱宽、发射截面适中等特点,在高功率激光技术领域具有重要应用。激光晶体中的位错是反映其晶格完整性的一类重要的微观晶体缺陷,对晶体材料的力学、光学性能具有重要影响。本文采用坩埚下降法制备了NYSF激光晶体,分析了腐蚀实验条件对位错蚀坑形貌的影响,获得了化学腐蚀法研究NYSF晶体位错缺陷的最佳腐蚀工艺,即浓度为4 mol/L的盐酸溶液作为腐蚀液,腐蚀温度为60 ℃、腐蚀时间为9~12 min;表征了位错腐蚀坑形态的演变过程,探讨了晶格原子排列对位错蚀坑形态的影响;利用化学腐蚀方法表征了位错缺陷在晶体中的分布规律,即轴向分布为从放肩到尾部先减少后增加,径向分布为从中心到边缘逐步增加;分析了晶体生长条件对位错缺陷形成的影响,提出了位错密度随坩埚下降速率的提高而升高的可能原因。

稀土掺杂萤石结构卤化物晶体团簇结构研究

马凤凯, 张振, 姜大朋, 张中晗, 李真, 寇华敏, 陈振强, 苏良碧

2023, 52(7): 1219-1235.

摘要 ( 98 )

PDF (19633KB) ( 168 )

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稀土掺杂萤石卤化物在国民经济、国防建设等领域发挥着不可替代的作用。萤石卤化物特殊的晶体结构导致稀土离子团聚,目前针对稀土离子团聚的系统研究还比较少。本文以稀土掺杂萤石卤化物为研究对象,采用第一性原理计算系统研究了从稀土离子单体到高阶团簇的结构特征、演变规律、联系及其影响因素。研究发现,稀土离子单体中心1|0|0|1₁(C_4v)和1|0|0|1₂(C_3v)稳定性随离子半径变化而改变,且不同晶体的变化趋势不同,与晶格畸变分析结果一致。晶格畸变与库仑作用相互耦合决定了电荷补偿间隙卤离子的占位倾向性,即C_4v和C_3v中心的相对稳定性。此外,共价效应使得PbF₂和SrCl₂晶体单体中心结构及其稳定性与CaF₂、SrF₂和BaF₂不同。研究还揭示了晶体离子性和晶胞尺寸对单体中心能量差斜率的影响。文中还研究了稀土离子高阶团簇的结构,其稳定性演变规律与单体中心相对应。本文提出了高阶团簇相对稳定性判据,为新型稀土掺杂萤石卤化物的探索、筛选和研发提供指导,有望进一步拓展其应用范围。

大尺寸Tm∶YAP复合激光晶体的生长与性能研究

李兴旺, 韩剑锋, 芦佳, 邢晓文, 王永国, 魏磊, 徐学珍

2023, 52(7): 1236-1242.

摘要 ( 90 )

PDF (8637KB) ( 167 )

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采用感应加热提拉法,通过改进热场、更换原料、二次熔接生长,直接生长出了直径大于40 mm的Tm∶YAP/YAP复合晶体毛坯。复合晶坯等径部分YAP段长21 mm,Tm∶YAP段长44 mm,晶坯外观完整,具有良好的光学均匀性和均匀的应力分布。绿光激光和He-Ne激光照射下,晶坯复合界面无散射、无气泡。复合界面两侧干涉条纹基本连续,透过波前差异小。从复合晶坯上加工出了直径5 mm、总长30 mm、端头不掺杂YAP晶体长4 mm的单端Tm∶YAP复合晶体元件,其光学质量优异。在1 940 nm固体激光器上采用激光二极管单端泵浦进行了激光性能测试,在泵浦注入功率为117.7 W条件下实现了42.8 W激光输出,输出功率、转换效率和光斑质量均优于非复合激光晶体。

Yb,Ho∶GdScO₃晶体生长及光谱性能分析

孙贵花, 张庆礼, 李加红, 罗建乔, 王小飞, 高进云

2023, 52(7): 1243-1249.

摘要 ( 70 )

PDF (2960KB) ( 131 )

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采用提拉法生长出了尺寸为ø30 mm×50 mm的Yb,Ho∶GdScO₃晶体。通过X射线衍射得到了晶体的粉末衍射数据,使用GSAS软件进行了全谱拟合,得到了晶体的结构参数。测试了晶体的拉曼光谱,在100~700 cm^-1观察到18个拉曼振动峰。对Yb,Ho∶GdScO₃晶体的光谱特性进行了表征,并计算了Yb³⁺的吸收截面,其在940、975 nm处的吸收截面分别为0.31×10^-20、0.42×10^-20 cm²。采用Judd-Ofelt理论计算了Ho³⁺的跃迁强度参量Ω_t,Ω₄/Ω₆值为2.04,并计算了辐射跃迁概率、能级寿命及荧光分支比等光谱参数。结果表明,Yb,Ho∶GdScO₃晶体的发光性能良好,是一种有前景的2~3 μm激光晶体候选材料。

基于Nd∶LiLuF₄微晶料的晶体生长及激光性能研究

卢浩, 李丙轩, 孙宝平, 黄鑫, 郑熠, 吴少凡, 王帅华

2023, 52(7): 1250-1257.

摘要 ( 94 )

PDF (9062KB) ( 121 )

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本文采用简易水热法,制备了稀土Nd离子掺杂的LiLuF₄(LLF)微晶材料,对该微晶样品进行了物相分析、微观形貌分析和近红外波段光学性能的相关研究。LLF晶体属于四方晶系白钨矿结构,空间群为I41/a;采用水热法制备的LLF微晶料结晶性良好,颗粒尺寸在20 μm左右,优化后Nd∶LLF样品的氧含量为0.001 4%(质量分数)。在792 nm波长激发下,掺杂3%(摩尔分数)Nd离子的LLF微晶的最强荧光发射峰位于1 047 nm,属于近红外波段,其平均荧光寿命约为0.275 1 ms。进一步采用提拉法生长出Nd∶LLF晶体并评估了其激光性能。Nd∶LLF激光晶体在1 053 nm处的发射截面为8.13×10^-20 cm²。激光性能测试发现,在1.2 W功率激发下,Nd∶LLF晶体可实现0.123 W的1 053 nm近红外激光输出。

Pr³⁺掺杂碱土混合氟化物激光晶体的生长与发光性能研究

王无敌, 王庆国, 薛艳艳, 唐慧丽, 徐子寒, 张晨波, 房前成, 吴锋, 罗平, 徐晓东, 苏良碧, 李岩, 韩建峰, 逯占文, 徐军

2023, 52(7): 1258-1269.

摘要 ( 117 )

PDF (9518KB) ( 202 )

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采用多孔坩埚温度梯度法生长了0.6%Pr∶Ca_xSr_1-xF₂ (x=0, 0.3, 0.5, 0.7, 1.0)和0.6%Pr,5%R∶Ca_0.5Sr_0.5F₂(R=Y, Lu, Gd)系列碱土氟化物激光晶体,对其晶体结构、吸收和可见波段的荧光光谱及荧光衰减寿命进行了系统研究。通过吸收截面、发射截面、荧光寿命、荧光半峰全宽等光谱参数分析发现,0.6%Pr,5%Y∶Ca_0.5Sr_0.5F₂混晶与其他掺杂混晶相比,具有最佳的光谱效果,443 nm处吸收截面和640 nm处红光发射截面分别为1.63×10^-20和3.39×10^-20 cm²,相应荧光半峰全宽和荧光寿命分别为4.50 nm和42.8 μs,光谱参数与0.6%Pr∶Ca_xSr_1-xF₂ (x=0, 0.3, 0.5, 0.7, 1.0)混晶相比有显著的提升。结果表明,0.6%Pr,5%Y∶Ca_0.5Sr_0.5F₂晶体具有极大的潜力作为新型Pr³⁺掺杂宽带激光材料的增益介质。

非线性光学原子响应理论及最新进展

程曦月, 秘汉相, 洪茂椿, 邓水全

2023, 52(7): 1270-1285.

摘要 ( 136 )

PDF (6359KB) ( 253 )

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二阶非线性光学晶体材料通过倍频效应转换激光频率,并且调制激光的振幅和位相,在现代制造、激光医疗、光通信,以及基础科学研究领域都有重要用途。本文简要介绍了近年来在部分响应泛函方法的基础上发展起来的非线性光学原子响应理论。该理论使人们能够在第一性原理计算的基础上定量评估单个组成原子及轨道对非线性光学晶体材料倍频效应的贡献。在此基础上,本团队还发展了一套普适的以物理性能为标准的基团划分方案,为确定倍频效应的功能基元提供了概念基础。本工作对该理论方法的最新进展及其带来的一些新观点,如导带的作用、原子负贡献、静态偶极矩的作用、非共价基团的压倒性贡献、线性规律等进行解释和阐述,并给出了在新材料设计中的应用实例。

Er³⁺,Yb³⁺∶Ba₃Gd(PO₄)₃晶体的生长、光谱和1.5 μm激光性能

黄建华, 吴杰, 黄艺东, 林炎富, 龚兴红, 陈雨金

2023, 52(7): 1286-1295.

摘要 ( 64 )

PDF (3684KB) ( 141 )

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采用提拉法生长了1.85%Er,23.95%Yb∶Ba₃Gd(PO₄)₃和1.95%Er,55.73%Yb∶Ba₃Gd(PO₄)₃两种晶体(式中Er、Yb浓度为原子数分数)。测量并分析了晶体在室温下的吸收系数谱、上转换荧光谱、发射截面谱、增益截面谱和荧光衰减曲线。1.85%Er,23.95%Yb∶Ba₃Gd(PO₄)₃晶体在峰值荧光波长1 537 nm处的发射截面、Er³⁺的⁴I_13/2多重态荧光寿命和Yb³⁺→Er³⁺的能量传递效率分别为0.54×10^-20 cm²、9.9 ms和90%;1.95%Er,55.73%Yb∶Ba₃Gd(PO₄)₃晶体在峰值荧光波长1 537 nm处的发射截面、Er³⁺的⁴I_13/2多重态荧光寿命和Yb³⁺→Er³⁺的能量传递效率则分别为0.58×10^-20 cm²、9.7 ms和93%。基于975 nm半导体激光端面泵浦,在1.85%Er,23.95%Yb∶Ba₃Gd(PO₄)₃晶体中实现了97 mW最高功率和27.1%斜效率的1 567 nm连续激光输出,在1.95%Er,55.73%Yb∶Ba₃Gd(PO₄)₃晶体中实现了93 mW最高功率和17.1%斜效率的1 567 nm连续激光输出。

非线性光学晶体K₃B₆O₁₀Br的生长与光电性能研究

刘青雄, 王天予, 刘孚安, 吴倩, 尹延如, 赫崇君, 高泽亮, 夏明军

2023, 52(7): 1296-1301.

摘要 ( 90 )

PDF (4899KB) ( 175 )

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采用顶部籽晶溶液生长法成功生长出尺寸为42 mm×20 mm×18 mm的高光学质量的紫外非线性光学晶体K₃B₆O₁₀Br(KBB)。根据其结构对称性要求,将KBB晶体定向加工成不同的器件切型,系统表征其光电性能。对KBB晶体电弹常数进行了系统的表征,受微观结构影响,压电常数各向异性较大,最大的压电常数d₃₃=6.69 pC/N。KBB晶体具有良好的激光频率变换、电光及压电性能,在光电子领域显示出潜在的应用前景。

KLi(HC₃N₃O₃)·2H₂O晶体的电光效应和生长研究

颜涛, 范雨杰, 徐峰, 陈昱, 罗敏

2023, 52(7): 1302-1307.

摘要 ( 75 )

PDF (3060KB) ( 169 )

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本文采用电光系数的粉末测试方法,探索发现了新型电光晶体KLi(HC₃N₃O₃)·2H₂O。根据粉末样品的红外反射光谱和拉曼光谱,计算获得晶格振动对电光系数的贡献值,再加上粉末倍频效应推算的有效非线性光学系数,最终计算出KLi(HC₃N₃O₃)·2H₂O的电光系数为2.37 pm/V,与商用电光晶体β-BBO相当。采用水溶液法进行晶体生长,测试不同原料生长晶体时的过热和过冷曲线,优化生长工艺,获得35 mm×25 mm×10 mm透明晶体。采用X射线定向技术辅以压电系数测量,确定了晶体形貌与各向异性生长速率的对应关系。

激光加热基座法制备Er∶YAP单晶光纤及性能表征

武旭, 张振, 张中晗, 武安华, 苏良碧

2023, 52(7): 1308-1316.

摘要 ( 76 )

PDF (9072KB) ( 136 )

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本文采用了激光加热基座(LHPG)法逆向生长技术,实现了多组分Er∶YAP晶体的快速制备。利用LHPG法开展了Er∶YAP单晶光纤的生长研究,通过解决单晶光纤生长过程中存在的色心、开裂、直径起伏等关键问题,制备出直径0.8 mm、长度65 mm的高品质Er∶YAP单晶光纤。对不同掺杂浓度Er∶YAP晶体的光谱性能进行表征分析,结果表明掺杂浓度5%(原子数分数)时,Er³⁺间存在较强的能量传递过程,有利于实现高效率中红外激光输出。

大尺寸ZnTe晶体的生长与性能

魏玲莉, 倪友保, 黄昌保, 吴海信, 王振友, 胡倩倩, 余学舟, 刘国晋, 周强

2023, 52(7): 1317-1324.

摘要 ( 104 )

PDF (6550KB) ( 206 )

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碲化锌(ZnTe)非线性晶体是一种常用的产生和探测太赫兹(THz)波的电光材料,在THz探测和成像等领域具有重要的应用价值。然而,目前制备高质量、大尺寸的ZnTe晶体仍然面临挑战。本文采用压力辅助的垂直布里奇曼法,成功生长出尺寸为ø40 mm×140 mm的完整ZnTe单晶棒,并对其晶体结构、结晶质量、光学与电学性能进行了表征和分析。针对Te夹杂相对晶体性能的影响,初步探索了ZnTe晶体的退火工艺。研究结果表明,在850 ℃、Zn气氛下退火200 h,晶体在可见-近红外波段(400~2 500 nm)的透过率达到62%,电阻率为10⁴ Ω·cm,在0.2~2 THz的吸收系数为5~15 cm^-1。测试及分析结果为实现高质量ZnTe晶体的制备提供了参考。

Er掺杂CGA晶体的生长及浓度优化研究

李琳, 谭慧瑜, 郑为比, 谭俊成, 李真, 张沛雄, 陈振强

2023, 52(7): 1325-1334.

摘要 ( 55 )

PDF (12322KB) ( 115 )

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本文采用激光加热基座法生长出一系列掺杂不同Er³⁺浓度(摩尔分数)的Er∶CaGdAlO₄(Er∶CGA)激光晶体,并对制备出的系列晶体开展详细的光学性能研究。结合J-O理论计算和光学性能表征,通过对比吸收光谱中780~840和955~1 020 nm的最大吸收系数、吸收截面、半峰全宽和辐射寿命等,以及荧光发射光谱的发射强度、发射截面和能级荧光寿命等光学性能参数,得到Er³⁺的最佳掺杂浓度为5%。该工作为获得一种有望用于1.5~1.7 μm近红外波段全固态激光器的新型激光增益介质提供了一定的实验基础。

蓝宝石单晶光纤生长及性能研究

张泽宇, 吴宇飞, 王涛, 张健, 贾志泰, 陶绪堂

2023, 52(7): 1335-1344.

摘要 ( 71 )

PDF (21407KB) ( 154 )

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蓝宝石单晶光纤结合了蓝宝石单晶熔点高、物理化学性能稳定的性能特点和光纤长径比大的结构优势,在高温传感、辐射探测等领域得到了广泛的研究。本文通过激光加热基座(LHPG)法成功制备出高质量蓝宝石单晶光纤,其最小直径为50 μm,具有极高的柔韧性。在此基础上系统研究了晶体取向、晶体直径、退火温度等因素对蓝宝石单晶光纤应力分布及力学性能的影响规律,所制备的蓝宝石单晶光纤抗拉强度超过3 000 MPa,展现出了优异的力学性能。

Nd∶CaYAlO₄单晶光纤的生长及光谱性能研究

郭俊, 刘坚, 陈鹏, 宋青松, 张志恒, 徐晓东, 徐军

2023, 52(7): 1345-1351.

摘要 ( 51 )

PDF (4999KB) ( 121 )

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采用微下拉法生长了不同掺杂浓度(0.25%,0.50%,0.75%,1.00%,原子数分数)的Nd∶CaYAlO₄单晶光纤。通过X射线衍射测试了单晶光纤晶体结构,结果表明晶体结构为四方晶系。测试了Nd∶CaYAlO₄单晶光纤的室温偏振吸收和荧光光谱,测试样品在807 nm附近有很强的吸收。其中,1.00%Nd∶CaYAlO₄的吸收最强,在σ偏振方向的吸收系数为4.20 cm^-1,π偏振方向的吸收系数为4.06 cm^-1。1.00%Nd∶CaYAlO₄单晶光纤最强发射峰在σ和π偏振下都位于1 080 nm,σ偏振方向的发射带宽为17.7 nm,π偏振方向的发射带宽为17.8 nm。0.25%、0.50%、0.75%、1.00%掺杂浓度的Nd∶CaYAlO₄单晶光纤⁴F_3/2能级的荧光寿命分别为129、133、135和140 μs,未观察到浓度猝灭。结果表明Nd∶CaYAlO₄单晶光纤是有潜力的超快激光增益介质。

大尺寸氟化铽锂晶体生长与性能

李兴旺, 杨宇, 芦佳, 董畅, 王永国, 徐学珍

2023, 52(7): 1352-1356.

摘要 ( 75 )

PDF (3279KB) ( 160 )

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氟化铽锂(LTF)晶体具有大的维尔德常数、低的吸收系数,是一种性能优良的磁光晶体材料,适合用作高功率、大能量激光系统用磁光器件的磁光材料。本文以高纯TbF₃和LiF为原料,采用电阻加热提拉法,在Ar气和CF₄混合气体保护下,成功生长出了直径达2英寸的大尺寸LTF晶体。该晶坯外观完整,具有良好的光学均匀性和较低的残留应力,He-Ne激光照射下无肉眼可见散射颗粒。该晶体还加工出了直径为10 mm的LTF晶体元件,测试其单程损耗系数、消光比、透过波前畸变和弱吸收系数等参数,结果表明生长的LTF晶体具有良好的光学质量,其维尔德常数约为市售商用TGG晶体的98%。

大尺寸70%DKDP晶体残余应力应变研究

刘发付, 牟晓明, 郭建斌, 郭在在, 曹剑武, 徐明霞

2023, 52(7): 1357-1363.

摘要 ( 60 )

PDF (7330KB) ( 114 )

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本研究使用传统液相法生长了氘含量为70%的大尺寸磷酸二氘钾(DKDP)晶体,采用中子衍射技术测量了三倍频DKDP晶片内部的残余应力和微观应变,利用X射线同步辐射探测了晶体锥面和柱面的微观形貌。研究了DKDP晶体沿[100]晶向宏观残余应力和微观残余应变的分布。结果表明:传统液相法生长的DKDP晶体柱面区域的残余应力为压应力,而锥面区域的残余应力为拉应力;锥面的拉应力容易导致晶体在生长和搬运过程中开裂,与实验现象相符;传统液相法生长的DKDP晶体的残余微观应变较小,但晶体中仍存在缺陷,这些缺陷是晶体残余应力和应变存在的原因之一。该研究可指导大尺寸70%DKDP晶体工程化应用。

不同直径Cr∶Al₂O₃圆柱晶体的制备及其光学性能研究

陶争, 伍志业, 娄佳明, 王威廉, 张宇欣, 邓勇, 邓文

2023, 52(7): 1364-1370.

摘要 ( 45 )

PDF (7584KB) ( 122 )

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采用光学浮区法制备了不同Cr³⁺掺杂浓度的Cr∶Al₂O₃晶体,并根据需要制备了不同直径(2 mm至13 mm)的长度大于100 mm的圆柱状Cr∶Al₂O₃晶体。测量了在制备Cr∶Al₂O₃晶体不同阶段所获得的粉末料棒、陶瓷料棒和晶体的密度,分别为0.928、2.230和4.051 g/cm³。XRD图谱显示,Cr∶Al₂O₃晶体为α-Al₂O₃相。透射光谱表明,Cr∶Al₂O₃晶体可见光非特征吸收波段透过率大于80%。吸收光谱和光致激发光谱(监测669 nm 光)均显示,Cr∶Al₂O₃晶体在418及559 nm处有较强吸收带,分别对应Cr³⁺从⁴A₂至⁴T₁和从⁴A₂至⁴T₂的跃迁。以波长为559 nm的光激发Cr∶Al₂O₃晶体,其光致发射谱在669 nm处出现较强的发射峰;当Cr³⁺浓度较低时,发射峰强度随 Cr³⁺浓度的增加而增强,Cr_{0.006 0}Al_{1.994 0}O₃的发射强度达到最大,然后随 Cr³⁺浓度增加而降低。

悦能光电实现4 kg级LBO晶体的批量生产

朱阳阳

2023, 52(7): 1371-1372.

摘要 ( 121 )

PDF (3669KB) ( 203 )

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