新型中红外激光晶体Er3＋:CaReAlO4(Re=Y,Gd)的研究

本项目从固体激光器的结构紧凑、装置简便、光束质量优异和容易获得高能大功率等优点出发，抓住阻碍中红外固体激光器发展的关键问题- - 比较缺乏在该波段工作的合适的增益介质，以Er3＋稀土离子及敏化离子掺杂的CaReAlO4(Re=Y,Gd)激光晶体为研究对象，借助晶体生长热力学与动力学理论，研究CaReAlO4(Re=Y,Gd)激光晶体的生长工艺，生长出能够应用于性能测试的优质晶体材料；着重测试和分析研究晶体的光谱性能，探索Er3+激活离子浓度效应和Cr3+、Tm3+、Ho3+等离子的敏化作用，确定有利于产生2.5～5.0um波段激光的激活离子的掺杂浓度、敏化离子；进行激光性能的初步测试研究，评估晶体在相应波段的激光性能。

2.5～3.0μm波段激光处于大气光传输窗口，也是大气“分子指纹”波段，在光通讯、激光制导和光电对抗、激光雷达、遥感化学传感器、空气污染监测等军事、民用两个方面都有十分重要的应用价值，是目前激光界的研究热点之一。尤其是，高温高压下H2O的最强吸收从2.95μm蓝移到了~2.7μm，因此~2.7μm激光比Er:YAG的2.94μm激光更适用于生物组织切割、眼科学等医学领域。.本项目选择Er:CaGdAlO4和Er:CaYAlO4晶体作为研究对象。首先研究了晶体的原料合成与晶体生长的工艺，采用提拉法生长出了不同Er离子浓度及Pr、Tm、Ho和Eu等敏化离子共掺的Er:CaGdAlO4、Er:CaYAlO4等多种优质单晶，尺寸达50mm以上。测试分析并探索了Er:CaGdAlO4和Er:CaYAlO4晶体Er离子浓度效应及敏化离子共掺的发光机制，优化出有利于实现2.7μm波段激光输出的掺杂浓度及合适的敏化离子。结果表明：Er:CaGdAlO4和Er:CaYAlO4晶体约在972nm处具有强而宽的吸收，半高宽约30nm，很适合InGaAs LD的泵浦；中红外发射带中心波长约在2.73μm，发射截面分别为0.91×10-20cm2和1.77×10-20cm2，均优于目前公认适宜中红外激光的Er:YSGG晶体（2.80μm，0.5×10-20cm2）；在掺入Pr、Tm、Ho或Eu等敏化离子后，都能够降低激光下能级Er 4I13/2的荧光寿命，有效抑制了Er 4I11/2 → 4I13/2中红外跃迁的“自饱和”现象，同时削弱了由于Er能级丰富导致的近红外、上转换等其他跃迁的竞争性发光，从而有利于实现中红外激光的输出，而且相较而言，Pr离子的敏化作用更为有利。因此，Er:CaGdAlO4和Er:CaYAlO4晶体，特别是共掺Pr敏化离子的Pr/Er:CaGdAlO4和Pr/Er:CaYAlO4晶体具有实现LD泵浦的～2.7μm中红外激光输出的巨大潜力。.此外，在研究过程中，发现了一种可适用于中红外激光的新晶体CaErAlO4，其空间群为I4/mmm，中红外发射截面为1.07×10-20cm2。.项目执行期间，在包括Opt. Lett.、CrystEngCom等期刊上发表了22篇论文，其中SCI收录20篇，影响因子大于2的有13篇，发表专章4篇，申请发明专利6件。