稀土(Er, Nd, Yb, Pr, Ho, Sm)有机/无机杂化材料的制备及发光性能研究

目前，国内外对于铕和铽等稀土配合物的可见区发光和应用都有大量研究，但对具有近红外发光（800-1700 nm）性能的稀土配合物的研究还处于起步阶段。由于稀土的近红外发光在光纤通讯、激光系统及诊断学等方面应用具有特殊的优点，越来越引起人们的兴趣和重视。 稀土近红外发光配合物的致命弱点是其光、热和化学稳定性较差，从而限制了其在很多领域的实际应用。而溶胶－凝胶材料和介孔材料具有良好的光、热和化学稳定性，能改善客体分子的结构环境和化学微环境，从而能有效提高客体分子的发光性能。因此，本论文将具有优良近红外发光性能的稀土配合物分别与上述两种基质复合，从实验和理论研究稀土近红外发光杂化材料的性能和应用价值，制备出具有良好稳定性的高效稀土近红外发光杂化材料，以期为光纤通讯、激光等领域提供潜在的候选材料。围绕这一宗旨，开展了如下工作： 通过原位技术分别得到了掺杂和嫁接[Ln(dbm)3phen]化合物（Ln = Er, Nd, Yb）的杂化凝胶材料，Ln-D-P gel和Xerogel-Ln。通过对其近红外发光性能的研究，表明材料中配体能很好的保护稀土离子，并将能量有效的传递给稀土离子。采用Judd-Ofelt理论对所得部分材料进行了光谱分析，基于实验数据和理论分析表明其具有潜在的光放大和激光应用价值。 选择了两种含全氟化烷基链的β-二酮配体Hhfth和Htfnb，通过功能化的phen-Si配体，将三元配合物[Ln(hfth)3phen] (Ln = Er, Nd, Yb, Sm)和[Pr(tfnb)3phen]成功共价嫁接到介孔MCM-41和SBA-15杂化材料中，得到的衍生材料Ln(hfth)3phen–MCM-41、Pr(tfnb)3phen–MCM-41和Ln(hfth)3phen–SBA-15、Pr(tfnb)3phen–SBA-15都保持了高度有序的介孔p6mm结构，并展现出稀土离子特征的近红外发射。所得稀土配合物功能化的材料的发射光谱能完全覆盖对光通讯极具应用价值的1300-1600nm区域。 通过对Er(dbm)3phen–M41(X, Y) (X = 1~14, Y = 3, 6, 12, 18, 24 h)材料系统的比较研究，选择了X = 12, Y = 6作为合成目标材料的优化参数，通过功能化的phen-Si配体将[Ln(dbm)3phen]配合物共价嫁接于有序介孔MCM-41和SBA-15中(Ln = Er, Nd, Yb)，所得两类材料Ln(dbm)3phenM41和Ln(dbm)3phenS15都保持了很好的介孔有序性，并具有良好的近红外发光性能。通过对Ln(dbm)3phenM41和Ln(dbm)3phenS15两类材料发光行为的比较，以及两类材料中稀土离子的含量及孔结构的分析，推出以SBA-15为载体得到的材料在相对发光强度和荧光寿命上，均比以MCM-41为载体的材料有所提高。 通过对8－羟基喹啉配体进行改性，合成了具有双功能的配体Q-Si，继而合成了共价嫁接8－羟基喹啉衍生物的介孔杂化材料Q–SBA-15，其形貌均一，并具有高度有序的介孔p6mm结构。通过配体交换反应，得到了嫁接稀土喹啉配合物的具有近红外发光性能的介孔杂化材料LnQ3–SBA-15 (Ln = Er, Nd, Yb)，其仍然保持高度有序的介孔结构，且外形呈现与母体材料Q–SBA-15相似的弯曲圆柱状。激发配体的吸收，LnQ3–SBA-15材料都分别展现出相应稀土离子特征的近红外发射，并详细分析和讨论了所得介孔杂化材料的近红外发光性能。

H[DEHP]从不同介质中萃取稀土（III）(Sc、Y、Ho、Er、Yb、Lu)及Fe(III)、Zn(II)的机理

本文分另研究了H[DEHP]从不同酸性介质中萃取稀土（III）(Sc、Y、Ho、Er、yb、Lu)及Fe(III)、Zn(II)的机理及性能。一、H[DEHP]从 H_2SO_4介质中萃取Sc(III)的机理 1. H[DEHP]萃取H_2SO_4及其机理 2. H[DEHP]萃取Sc(III)的机理，用斜率法和饱和法确定了H[DEHP]的正庚烷溶液从H_2SO_4溶液中萃取Sc_2(SO_4)_3的机理及萃合物组成。研究表明，H[DEHP]萃取Sc(III)在高、低两种酸度范围内存在着两种不同的萃取机理。二、H[DEHP]从HCl介质中萃取Ln(III)和Fe(III)的性能及H[DEHP]萃取Ln(III)的机理研究了H[DEHP]的正庚烷溶液从HCl介质中萃取稀土（III）(Sc、Y、Ho、Er、Yb、Lu)和Fe(III)的性能，得出H[DEHP]在相同条件下萃取以上各金属离子的顺序是：Sc(III)>Fe(III)>Lu(III)>Yb(III)>Er(III)>Y(III)>Ho(III), 并计算了各金属离子之间的分离因素（β）。文中还讨论了Sc(III)、Fe(III)、Lu(III)之间的分离以及重稀土离子间的萃取分离，同时与相同实验条件下HEH[EHP]的萃取性能进行了比较，为新的萃取体系提供了一些参数。三、H[DEHP]从不同介质中萃取Fe(III)的机理，研究了H[DEHP]的正率烷溶液从Hcl介质中和H[DEHP]的正庚烷溶液从H_2SO_4介质中萃取Fe(III)的平衡规律；用斜率法、饱和法以及IR和NMR谱等讨论了低酸度下的萃取机理。四、H[DEHP]萃取Zn(II)的机理，研究了H[DEHP]的正率烷溶液从Hcl介中萃取Zn(II)的平衡，利用斜率法、饱和法及SR、NMR谱等讨论了低Hcl浓度下的萃取机理。

YAG基质中某些稀土离子的发光及能量传递研究

采用溶胶-凝胶方法合成了掺稀土离子的钇铝石榴石系列化合物，测试了它们的发射光谱和激发光谱。通过实验得出发光体的最佳化学组成和合成条件，确定了发光体的晶体结构，研究了铕离子，铽离子在钇铝石榴石基质中的发光行为以及铕-铋离子对和铽-铥离子对能量传递的必要条件和充分条件以及能量传递机理。同时也研究了某些稀土离子对掺钕钇铝石榴石光谱性质的影响。

RECRYSTALLIZATION, IMPURITY MIGRATION AND OPTICAL ACTIVATION OF YB-IMPLANTED SILICON INDUCED BY RAPID THERMAL ANNEALING

The rapid thermal annealing temperature dependence of the recrystallization, Yb migration and its optical activation were studied for Yb-implanted silicon. For the annealing regime 800-1000-degrees-C, the Yb segregates both at the crystal/amorphous interface and at the surface, which is different from the usual segregation of Er at the crystal/amorphous interface, and the efficiency of optical activation also increases with annealing temperature. However, the amorphous layer regrows completely and no photoluminescence is observed after the annealing at 1200-degrees-C.

Comparative studies of semiconductor saturable absorber mirror mode-locking dynamics in pulsed diode-end-pumped picosecond Nd:GdVO4 and Nd:YAG lasers

Ultrashort pulses were generated in passively mode-locked Nd:YAG and Nd:GdVO4 lasers pumped by a pulsed laser diode with 10-Hz repetition rate. Stable mode-locked pulse trains were produced with the pulse width of 10 ps. The evolution of the mode-locked pulse was observed in the experiment and was discussed in detail. Comparing the pulse evolutions of Nd:YAG and Nd:GdVO4 lasers, we found that the buildup time of the steady-state mode-locking with semiconductor saturable absorber mirrors (SESAMs) was relevant to the upper-state lifetime and the emission cross-section of the gain medium.

Flash-lamp-pumped picosecond Nd:YAG regenerative amplifier

A flash-lamp-pumped Nd

透射式SESAM实现掺Yb^3＋光纤激光器被动调Q锁模

锁模光纤激光器具有体积小、性能稳定及模式好等优点，日益受到关注。利用一种新型的透过式半导体可饱和吸收镜，实现双包层掺Yb^3＋光纤激光器调Q锁模脉冲激光输出。得到的脉冲调Q包络半高宽约500ns，重复频率110kHz，平均输出功率45mW，锁模脉冲重复频率26．7MHz。锁模光路比反射式吸收镜更简单，易于调节，为进一步引入色散补偿元件进行飞秒脉冲的实验研究奠定了基础。

电光腔倒空激光二极管抽运Nd∶YAG锁模激光器

设计了一个简单的直腔,将电光腔倒空与激光二极管端面抽运Nd∶YAG半导体可饱和吸收镜锁模激光器结合,实现了锁模脉冲的产生、放大和输出。在连续抽运功率5 W的条件下,获得了脉冲宽度为11 ps的锁模单脉冲输出和脉冲宽度为200 ns的调Q脉冲输出,腔倒空单脉冲能量为30 nJ,重复频率为10 Hz。连续锁模运转时单个锁模脉冲的能量约为2 nJ,利用腔倒空将单脉冲的能量提高了15 倍左右。文章详细讨论了腔倒空脉冲及调Q脉冲的产生机理,并分析了加在电光晶体上的高压电脉冲以及偏振片的偏振度对腔倒空脉冲及调Q脉冲的影响。

Passively Mode Locked Diode-End-Pumped Yb∶YAB Laser with High Reflectivity Type Semiconductor Saturable Absorption Mirror

利用金属有机气相淀积方法生长了一种新型吸收体:高反射率半导体可饱和吸收镜.用这种吸收体兼作端镜,实现了1.044μm半导体端面泵浦Yb∶YAB激光器被动锁模,脉冲宽度为3.05ps,重复率为375MHz,输出功率为45mW.

激光二极管侧面抽运Nd∶YAG锁模激光器的研究

利用谐振腔的稳定条件对激光二极管侧面抽运的Nd∶YAG锁模直腔的稳区特性和谐振腔内的光斑分布进行了分析。根据对腔参量的分析，选取合适的腔参量设计了一个简单的侧面抽运直腔，该谐振腔腔形简单，没有像散，振荡光模式好，有利于激光器的锁模运转。实验中采用国内自行研制的半导体可饱和吸收镜，实现了激光二极管侧面抽运半导体可饱和吸收镜锁模Nd∶YAG激光器的连续锁模运转，平均输出功率为2 W，锁模脉冲宽度为10 ps,重复频率为100 MHz。结合实验结果进一步讨论了半导体可饱和吸收镜的一些参量如饱和恢复时间、调制深度等对实现稳定连续锁模的影响。

连续波500 W全固态Nd∶YAG激光器研究

研制了全国产化全固态半导体激光器(LD)抽运模块，Nd∶YAG激光输出功率达500 W。介绍了优化抽运模块结构参数的程度。从增益分布特性等方面，介绍了研究其输入-输出功率特性的实验装置，随着抽运功率的增加，Nd∶YAG激光输出以斜率效率47%线性增加，最大输出功率达到575 W，光-光转换效率达26.1%。采用He-Ne激光探测法实验测量了该抽运模块中的热透镜效应。通过测量热焦距，分析了其热透镜效应

Passive mode locking of an Yb:YAB laser with a low modulation depth SESAM

A passive mode-locked diode-pumped self-frequency-doubling Yb:YAB laser with a low modulation depth semiconductor saturable absorber mirror operating at 374 MHz is demonstrated. The measured pulse duration is 1.98 ps at the wavelength of 1044 nm. The maximum average power reaches 45 mW.

Passively Mode Locked Diode-End-Pumped Nd∶YAG Laser with In0.25 Ga0.75 As as Output Coupler

A novel InGaAs(LT-In0.25 Ga0.75 As) absorber grown by metal organic chemical vapor deposition at low temperature is presented.Using it as well as an output coupler,passive mode locking,which produces pulses as short as several hundred picoseconds for diode-end-pumped Nd∶YAG laser at 1.06μm,is realized.The pulse frequency is 150MHz.

表面态型半导体可饱和吸收镜实现Nd:YAG激光器被动锁模

砷化镓半导体材料与空气接触的表面存在密度很高的电子表面态,砷化镓材料内部的电子可以通过这种表面进行驰豫,驰豫时间估计在ps量级.依此原理,制作了一种新型的表面态型半导体可饱和吸收镜,用其作为被动锁模吸收体,实现了半导体端面泵浦Nd:YAG激光器被动连续锁模.在泵浦功率为4 W的情况下,获得了连续锁模脉冲序列,重复频率150 MHz,锁模脉冲平均输出功率为300 mW,脉冲宽度为10 ps.

半导体可饱和吸收镜被动锁模Nd:YAG激光器的研究

利用自行研制的半导体可饱和吸收镜(SESAM),在5 W光纤耦合半导体激光器端面抽运的Nd:YAG激光中,实现了半导体可饱和吸收镜被动锁模,获得了稳定的皮秒锁模激光输出.经自相关仪测量,其锁模激光脉冲宽度小于10 ps.实验采用直腔结构的谐振腔,该腔结构简单,易于调整,实现可饱和半导体吸收镜稳定锁模时,光-光转换效率达到19%.