Cr3+ CdWO4晶体的发光特性及其在可调谐激光器中的应用研究【开题报告】.doc

毕业设计开题报告 电子信息科学与技术 Cr3+: CdWO4晶体的发光特性及其在可调谐激光器中的应用研究 一、选题的背景与意义 近几年来, 可调谐固体激光器在工业、军事和科研等许多领域已经得到广泛的应用, 人们越来越重视这一领域的研究工作, 尤其受到人们关注的是以Cr3+作为激活离子的激光晶体。 钨酸镉（CdWO4,CWO）是一种高密度（7.9g/cm3）、高发光效率、短余辉时间的闪烁材料。[1-2]与其它多种无机闪烁晶体相比较，钨酸镉闪烁单晶具有发光效率较高，余辉时间短，X 射线吸收系数大，抗辐照损伤性能强，材料密度大，无潮解性等特性，可广泛应用于核医学成像、安全检查、工业计算机断层摄(Computer tomography, CT)、石油测井、高能物理等技术领域，尤其在医用X-ray CT、集装箱检查系统领域具有非常重要的应用。迄今国内外已有采用提拉法生长钨酸镉单晶的研究报道。[3-7] 而且，通过阅读大量的文献发现CWO和杂质离子同时存在的发光现象也常常容易使人琢磨不清，在我们有意的同时生长出纯的CWO和掺入杂质离子的CWO后能比较的容易将两者区分开。不同类型的杂质离子掺入到CWO和其他钨酸盐中已经得到了广泛的研究。一价离子Na+、Cs+[8-9]，二价离子Co2+、Pb2+[8-11]，三价离子Bi3+、Sm3+[12-13]和其他一些高价态离子Si4+、Nb5+、Mo6+[8]被掺入到CWO后已经得到了不同的效果。 掺Cr钨酸镉氧化物晶体具有良好的物化稳定性，其晶体的结构特征可为发光中心提供更高效率的发光环境，有利于实现高效率的激光输出，可广泛应用于红外宽带光学放大器与可调谐激光器等光学领域中。 综合以上分析，我们尝试在CdWO4中掺杂Cr3+,并对Cr3+: CdWO4晶体的发光特性在可调谐激光器中具体的研究。 研究的基本内容与拟解决的主要问题： 基本内容： 课题研究的主要内容是坩埚下降法生长Cr3+: CdWO4晶体的发光特性在可调谐激光器中的研究。而具体通过以下几个方面进行研究： 1）晶体的生长 以高纯CdO，WO3 为初始原料，采用垂直坩埚下降法生长CdWO4 单晶，再与Cr3+进行混合得到Cr3+: CdWO4晶体。而在此过程中主要研究晶体生长的掺杂Cr3+浓度、烧结温度、炉膛温度场、坩埚下降速度等因素对晶体质量的影响。 2）晶体的光谱特性 对所得到的晶体切割、抛光后做XRD分析，确认掺杂离子后是否改变原有CdWO4的晶相，是否有新的晶相产生。然后再对样品做吸收光谱分析，确认掺杂离子是否进入晶体格位上（或以填隙方式存在于晶体中）。从而进一步对样品做激发和发射光谱分析，研究掺杂的Cr3+离子在基质提供的晶格场中的能级分裂和荧光性质。最后对Cr3+：CdWO4晶体做XPS分析，明确掺杂离子在基质中的离子价态。 拟解决的关键技术和难点： 1）晶体生长的全过程都是在高温环境和封闭的坩埚内进行，不便于直接观察晶体生长的过程，这对改善晶体生长的温度梯度等工艺条件造成极大地困难。 2）采用坩埚下降法生长出的大尺寸CdWO4单晶,可能会出现晶体缺陷,包括晶体开裂、丝状包裹物和晶体黑化。 三、研究的方法与技术路线： 研究方案： 采用坩埚下降法生长混合晶体，再对生长获得的晶体进行切割、打磨、抛光等加工，最后将抛光后的新样品进行光学与光谱性质的测试及研究。 技术路线： 采用纯度为99.99%的CdO 和WO3 作为初始原料，先在马弗炉中300 ℃焙烧3 h，以除去可能含有的吸附水分。按照n(CdO):n(WO3)=1:1 的理论摩尔比配料，准确称量氧化物原料，称量精确度为1 mg。原料经过充分研磨混合后，将所配粉料压制成致密料锭。将料锭装入刚玉坩埚，将坩埚密封后置于电阻炉中，在1 000～1 150 ℃经过2～6 h 烧结，获得CdWO4 白色陶瓷状多晶料锭，通过粉末X 射线衍射(X-ray diffraction, XRD)分析证实这种多晶料为钨酸镉物相。 把WO3分别与CdO按照化学计量比混合均匀后压制成块后，固相烧结反应法合成掺Cr系列CdWO4晶体。在熔点附近选择多个不同的温度点实验最佳合成温度：将采用不同的烧结气氛，包括惰性的氩气氛、氧化气氛和氢还原气氛，初步实验烧结气氛对发光的影响：结合烧结温度的变化，初步确定温度、气氛等工艺条件对红外发光的影响规律。根据这些情况，确定晶体生长过程所采用的生长气氛[14]。 通过高温烧结与坩埚下降法工艺的实验手段制备多晶与单晶：用DTA/TG热分析仪、FTIR红外光谱、Raman光谱、扫描电子显微镜、投射电镜、x-射线衍射仪来研究晶体的结构、组分、物化性能与围观形貌；用吸收光谱仪、LD（800nm，980nm）半导体泵浦源、钛宝石激光器、TRAX550荧光光谱仪、