Yb激活的双波长激光晶体的结构设计、生长与性能系统研究

太赫兹波在科学、工农业、国防等领域均具有巨大的科研价值和广阔的应用前景，非线性差频过程是有效的获取方法之一，核心元件之一是双波长激光晶体。镱离子激活的激光晶体是一类优秀的双波长可调谐激光增益材料，为了获得高效可调谐双波长激光输出，达到应用的实际要求，必须深入研究基质晶体结构组成与双波长激光性能相互关系。本项目将从结构化学、晶场理论、固态光谱等基础理论出发,系统分析不同类型晶体中镱离子能级结构和发光机理的变化规律，针对性地总结出基质晶体组分结构与双波长激光性能的相互关系，探索出有利于～1.0微米双波长可调谐激光高效运转的新晶体结构组成类型。在此基础上，设计筛选2～3个系列的镱离子激活双波长激光晶体，开展晶体固相合成和生长工艺研究，获得能应用于性能测试的优质晶体，进行光谱与激光性能的理论与实验研究，并通过镱离子浓度优化，获得能应用于太赫兹等技术领域的双波长激光高效运转的新型增益晶体。

该项目首先通过大量文献理论数据和实验的综合分析，将现有单波长与双波长激光晶体中Yb3+离子在～1.0m波段的光谱、激光、光学及相关物理、化学性能参数与基质晶体的结构组成参数联系起来系统分析、综合研究，总结这些单波长与双波长激光性能随晶体结构组成的变化规律。研究分析不同类型晶体中Yb3+离子能级结构和光谱性能的变化规律，探索出基质晶体结构组成与双波长激光性能的关系规律，从而确定出有利于实现双波长激光输出的条件。.在此基础上，主要针对应用于太赫兹激光技术的双波长激光晶体基质及其Yb激活离子掺杂浓度的优化、大尺寸优质晶体生长、光谱性能和～1.0μm双波长激光输出等关键科学技术问题开展了深入的研发。优选并生长出优质、尺寸大于30mmYb3+掺杂的GdAl3(BO3)4、YAl3(BO3)4、NaGd(WO4)2、NaY(WO4)2、Ca3La2(BO3)4、Ca3Gd2(BO3)4和Ca4LaO(BO3)3共七种基质晶体。对上述几种晶体开展了光谱和双波长激光实验测试研究，实现了～1.0um波段正交偏振/单偏振的双波长连续/脉冲激光输出，其中六种晶体的输出功率均高于2W，实验中还发现Yb3+:YAl3(BO3)4和Yb3+:Ca3Gd2(BO3)4 可以实现自调Q双波长双偏振激光输出，输出平均功率分别为480mW和416mW，脉宽分别为248ns和287 ns，重复频率为35KHz, Yb3+:Ca3La2(BO3)4晶体也实现了调Q双波长双偏振激光输出，输出平均功率为2.37W, 重复频率为20KHz，最小脉宽为9 ns，所有晶体的激光输出双波长差均为 △λ< 10 nm，频率差处于1~3THz。.研究结果表明：具有低级晶系结构和无序结构的基质晶体，Yb3+晶体容易产生多波长激光输出，而具有中级晶系结构和有序结构的基质晶体，Yb3+晶体容易产生双波长激光输出，波长稳定性最好。.该项目执行期间，相关研究成果申请了发明专利3件，发表了SCI论文35篇和专章2篇，目前还在国际核心刊物上投稿5篇论文，获得教育部自然科学二等奖一项和福建省科技优秀论文三等奖一项，培养了博士生和硕士生各4名, 培养年轻研究骨干2名。比照项目申请书的预期研究目标，该项目已经圆满完成了预定的任务目标。