博士学位论文
板状Nd:YAG激光晶体水平定向结晶法生长
机理与性能研究
RESEARCH ON GROWTH MECHANISM AND PROPERTIES OF PLATE ND:YAG CRYSTAL
GROWN BY HDS METHOD
郭怀新
哈尔滨工业大学
2013年6月
美味的英文国内图书分类号：O77 学校代码：10213 国际图书分类号：548 密级：公开
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工学博士学位论文
板状Nd:YAG激光晶体水平定向结晶法生长
机理与性能研究
ogrish博士研究生：郭怀新
导师：韩杰才教授/博导
副导师：张明福教授/博导
申请学位：工学博士
学科：材料学
常用英语培训>hummel所在单位：复合材料与结构研究所
答辩日期：2013年6月
授予学位单位：哈尔滨工业大学
Classified Index: O77
U.D.C: 548
Disrtation for the Doctoral Degree in Engineering
RESEARCH ON GROWTH MECHANISM AND PROPERTIES OF PLATE ND:YAG CRYSTAL
GROWN BY HDS METHOD Candidate：Huaixin Guo
Supervisor：Associate supervisor：Prof. Jiecai Han Prof. Mingfu Zhang
Academic Degree Applied for：Doctor of Engineering Speciality：Materials Science Affiliation：Center for Composite Materials Date of Defence：June, 2013汤圆 英文
Degree-Conferring-Institution：Harbin Institute of Technology
摘要
由于Nd:YAG晶体材料具有优异的激光性能以及良好的热学特性和机械性能，自上世纪60年代以来，钕掺杂钇铝石榴石晶体就成为固体激光器中占主要地位的工作物质。近年来，随着激光二极管泵浦激光晶体的激光器技术的发展，使得Nd:YAG激光材料在通信、材料加工、激光医疗领域广泛应用，特别是随着激光二极管作为惯性约束核聚变择优泵浦源的出现，使其军事上应用更为突出。Nd:YAG晶体已成为“三大基础激光晶体”之一，作为中、高功率激光器应用方向的主要支撑材料。这些领域向着
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高能量、大功率固体激光器方向发展，而目前传统的生长方法存在核心、侧心及Nd3+离子梯度等缺陷问题难以满足这些领域对大尺寸、高品质及高光学均匀性Nd:YAG激光晶体迫切需求。本文针对上述问题，在晶体尺寸和品质方面进行提升，利用水平定向结晶法(Horizontal Directional Solidification, HDS)生长板状Nd:YAG激光晶体，计算分析了其生长过程中固液界面的变化形式以及熔体的对流形式；探讨了Nd3+离子在晶体中的分布规律及其与对流的关系；分析了生长出Nd:YAG激光晶体结构品质及在生长过程中出现的缺陷类型、分布规律和形成原因，提出了相应的改进措施；最后测试水平定向结晶法生长Nd:YAG晶体的光学性能，利用Judd-Ofelt理论预估其吸收截面、荧光寿命、发射截面等参数，预测了其激光输出特性。
采用水平定向结晶法，设计合理的工艺参数，生长出舟型板状的大尺寸板状Nd:YAG激光晶体，尺寸达220mm×140mm×25mm，晶体的物相分析测试、晶体结构的摇摆曲线和透射电镜测试表明Nd:YAG激光晶体的结构完整性优良；晶体干涉条纹和消光比的测试表明晶体的干涉条纹为零级，晶体中无核心和侧心，晶体品质优良；退火后研究表明退火有利于提高其结构完整性。热学和力学性能的测试分析表明水平定向结晶法生长的Nd:YAG晶体的基本物理性能优异。
针对水平定向生长Nd:YAG晶体过程中固液界面的热质传递发生变化，导致的固液界面结晶速率和坩埚移动速率不同步问题，推导出水平定向结晶法生长大尺寸Nd:YAG激光晶体过程中固液界面的实际结晶速率公式，对固液界面的结晶速率进行了数值计算分析，结果表明在晶体生长过程中实际的固液
界面结晶速率是不断变化的，且与坩埚尺寸、温场梯度及熔体厚度等因素有关；并详细模拟计算了这些因素对固液界面实际结晶速率的影响。
优异的热质传递是生长高质量大尺寸Nd:YAG激光晶体的重要条件之一，
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因此对水平定向生长Nd:YAG激光晶体的熔体对流进行了计算分析，明确在水平定向结晶法生长Nd:YAG晶体过程中的主要对流机制。研究了掺杂Nd3+离子在晶体中的沿生长方向的分布规律，及分布规律和温度梯度的关系；研究了掺杂离子(Nd3+)在晶体中的垂直于生长方向的分布规律及分布机制；结果显示其分布优于其他生长方法，表明该方法更适合生长Nd:YAG晶体。
采用光学显微镜和扫描电镜等实验方法，对Nd:YAG晶体宏观缺陷及微观缺陷进行观测和研究，表明其缺陷主要为散射颗粒（气泡、小的夹杂物及大的包裹体）和位错。详细的研究了散射颗粒的形貌、在晶体中分布规律及形成原因。结合化学腐蚀法及X射线相貌分析法测试了水平定向结晶法生长Nd:YAG 激光晶体的位错类型、分布规律；探讨了其形成原因，结果表明晶体中心区域的品质要好于边缘区域，中心区域的位错密度相对较低。
提前批录取表征了水平定向结晶法生长Nd:YAG激光晶体的吸收光谱和荧光光谱。结果表明在808 nm处吸收谱带峰值有较大的半峰宽，荧光光谱呈带状的连续分布，中心波长谱图峰值1064.59 nm对应于跃迁峰值的理论值1064.15 nm，匹配非常好，表明水平定向结晶法生长的Nd:YAG晶体光学质量良好。应用Judd-
英国中学留学费用Ofelt理论求得最佳唯象强度参数分别为Ω2=0.5022×10-20cm2, Ω4=3.3506×10-20cm2和Ω6=5.1653×10-20cm2，同时预估了激光晶体的吸收截面、荧光寿命、发射截面等参数；并测试了实际的激光输出性能，获得了较为优异的功-功转换效率高达37.44%。
关键词：Nd:YAG激光晶体；水平定向结晶法；晶体缺陷；对流机制；Judd-Ofelt 理论；激光性能
