摘要
激光通过各向异性介质(如LiB3O5(LBO)、BaB2O4(BBO)、BiB3O6(BIBO)、KTiOPO4(KTP)和KH2PO4(KDP)等非线性光学晶体)实现频率转换是获得可见光和紫外光的有效手段，该技术的突破点首先是制备出非线性响应强的光学晶体，其次是通过适当地调节器件设计参数进一步提高应用范围和转换效率。ReCa4O(BO3)3(ReCOB,Re:Y、Gd、La、Tm和Sm等)晶体可以通过提拉法快速制备，具有双折射率适中、有效非线性光学系数较大、基本性质稳定、体积大和光学质量高等优点，且容易掺入激活离子(如Nd3+和Yb3+)做为激光晶体(如Nd:GdCOB和Yb:YCOB)，因此ReCOB系列晶体不失为一类理想的复合功能晶体。 本文基于晶体激光器和非线性光学领域的发展趋势，以研究ReCOB型晶体的光学性质为出发点，以TmCa4O(BO3)3(TmCOB)、RexGd1-xCOB(Re:Tm/Nd)和0.5at.%Nd:LaCOB晶体为研究对象，以探索晶体在非线性光学和激光领域的应用前景为初衷，以拓展晶体激光器输出波长范围、提高激光器输出能量和实现高效率频率转换为目标，以实验测量和理论计算为手段，研究TmCOB晶体倍频特性、RexGd1-xCOB晶体非临界倍频特性以及0.5at.%Nd:LaCOB晶体光谱性质。对于TmCOB晶体，测量其非线性光学系数，并计算有效非线性光学系数，比较该晶体在基频波为1064nm时的一类和二类倍频特性，着重分析晶体的二类倍频特性。对于RexGd1-xCOB(Re:Tm/Nd,0＜x＜1)晶体，通过实验测出Tm0.02Gd0.98COB晶体和Nd0.08Gd0.92COB晶体的非临界相位匹配波长，总结出RexGd1-xCOB(Re:Tm/Nd)晶体的非临界相位匹配可调谐波段范围，通过实验测量晶体的倍频转换效率。对于0.5at.%Nd:LaCOB晶体，测量晶体的吸收光谱和荧光发射光谱，利用J-O理论分析晶体的吸收光谱和荧光发射光谱性质。上述研究的结果表明TmCa4O(BO3)3(TmCOB)、RexGd1-xCOB(Re:Tm/Nd)和0.5at.%Nd:LaCOB晶体在激光和非线性光学领域具有应用潜力。 第一部分，首先通过Maker条纹法测量TmCOB晶体的非线性光学系数，d11、d12、d13、d31、d32和d33被测定为0.19、0.26、-0.61、-0.30、1.66和-1.25pm/V，通过计算得出晶体的有效非线性光学系数的分布，确定最佳二类相位匹配方向为(118.0o,77.2o)。利用Nd:YAG激光器(40ps,10Hz)测试晶体的倍频转换效率，基频光能量为6.89mJ时，长度为12mm、沿最佳相位匹配方向加工的TmCOB晶体的二类倍频转换效率为55.90%，倍频光能量为3.85mJ，同时发现该晶体的二类倍频的容限角较大，是一类倍频的8倍，光束走离角较小，是一类倍频的0.35倍。第二部分，首先通过实验测量与理论计算，得出几种Re1xRe21-xCOB型晶体(Tm0.02Gd0.98COB、Nd0.08Gd0.92COB、Lu0.129Gd0.871COB、Lu0.07Gd0.93COB和Sc0.04Gd0.96COB)的非临界相位匹配波长，总结出Re1xRe21-xCOB型晶体的稀土阳离子半径与非临界相位匹配波长的关系。确定出RexGd1-xCOB(Re：Tm/Nd)型晶体的非临界相位匹配可调谐波段范围，TmxGd1-xCOB型晶体的Y轴二类和Z轴一类非临界相位匹配波段为1011-1022nm和839-884nm，该晶体无Y轴一类非临界相位匹配可调谐波段。NdxGd1-xCOB型晶体的Y轴一类、Y轴二类和Z轴一类非临界相位匹配可调谐波段为831-927nm、1255-1426nm和973-986nm。利用Ti:sapphire激光器(837nm,120fs,76MHz)测量长度为16mm的Nd0.08Gd0.92COB晶体的Y轴一类倍频转换效率，基频光功率为1052mW时，转换效率为37.40%。第三部分，通过测量0.5at.%Nd:LaCOB晶体的吸收光谱、荧光发射光谱和荧光强度衰减曲线，结合J-O理论研究晶体的吸收光谱和荧光发射光谱的性质。利用最小二乘法计算得出晶体不同偏振方向的晶场参数，通过理论计算得出该晶体在808nm附近的最大吸收截面在Y偏振方向，为4.97×10-20cm2，Z和X方向的最大吸收截面分别为4.24×10-20cm2和4.10×10-20cm2。最大偏振荧光发射截面在X方向，为11.15×10-20cm2，Y方向和Z方向最大发射截面为5.55×10-20cm2和4.95×10-20cm2，均对应1060nm。该晶体的荧光分支比最大为59.02%，平均辐射荧光寿命为327.20μs，通过实验测得的荧光寿命为107.98μs。
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