Yb3+:Sr3R2(BO3)4 (R=Y, Gd, La) 高效率飞秒激光晶体的研究

All solid femtosecond lasers that pumped by lasing diode have been widely applied in many fields, in which, Yb3+-doped laser crystal is one of the core media. Currently, the main efforts have been paid to minimize the pulses duration, which influence the stability and optical to optical efficiency of pulses lasers. Thus the high-efficiency femtosecond lasers have become a new research hotspot. In our previous work, the femtosecond lasers with optical to optical efficiency about 33% have been generated based on Yb:Sr3Y2(BO3)4 crystal, which indicates the potential in high-efficiency femtosecond lasers. Therefore, the systematic study based on Yb:Sr3R2(BO3)4 (R=Y, Gd, La) crystals, including disordered structures, broad emission spectral bandwidth and high-efficiency femtosecond lasers, will be carried out in this project. Czochralski method will be used to grow crystals with high optical-quality (1.0×10-5/cm) and relative large dimensions (Ø30×50mm3). After measuring various physicochemical parameters in detail, laser experiments pumped by lasing diode will be carried out, and the high-efficiency femtosecond laser with optical to optical efficiency about 40% and pulses duration about 100 fs can be achieved. Then, the new and practical femtosecond laser crystals will be obtained.

激光二极管（LD）直接泵浦的全固态飞秒激光器在军事、医学、通信等方面有着广泛应用，掺镱（Yb3+）激光晶体是其核心工作物质之一。当前的研究集中于追求更短的脉冲时间，对脉宽的过度压缩影响了脉冲激光的高效率和稳定性。因此，获得高光光转换效率的飞秒激光成为该领域新的研究热点。前期工作中对Yb:Sr3Y2(BO3)4晶体的研究表明其可获得转换效率为33%的飞秒激光，是高效率飞秒激光晶体的潜在之选。本项目拟对Yb:Sr3R2(BO3)4 (R=Y, Gd, La)晶体作系统性研究，把晶体的无序结构和光谱的宽带发射相结合，进一步应用于高效率飞秒激光的产生。采用提拉法快速生长高光学质量（1.0×10-5/cm）和较大尺寸（Ø30×50mm3）的晶体，测定各类物化参数，开展LD泵浦激光实验，获得光光转换效率40%左右同时脉宽为100 fs量级的高效率中小功率飞秒激光输出，得到一类新型实用的飞秒激光晶体。

本项目围绕可应用于激光二极管（LD）直接泵浦的全固态飞秒激光器的核心工作介质——掺镱（Yb3+）激光晶体开展了较为系统的研究工作。采用提拉法成功制备了较高质量的不同浓度的Yb:Sr3Y2(BO3)4（3at.%,8.1at.%,11at.%）和Yb:Sr3Gd2(BO3)4（2at.%,6.3at.%,9.2at.%）系列晶体，并顺利加工出3×3×2mm3、3×3×2.5mm3、3×3×5mm3、3×3×5.5mm3、3×3×10mm3以及4×4×2mm3和4×4×3mm3等各种尺寸的晶体器件。通过实验和理论分析总结出晶体的生长习性：沿结晶学b轴方向有利于减小热应力，径向上的结晶尺寸也更加均匀，进而有效减少晶体开裂和包裹形成。通过结构解析明确了晶体结构特性与光谱性能之间的关系：晶体中存在统计分布的三个金属阳离子格位，形成高度无序结构，导致Yb离子呈现多个发光中心，进而有效展宽发射光谱的带宽，更加有利于实现超快脉冲激光输出。采用InGaAs LD泵浦，重点研究了两类晶体的飞秒激光性能，基于8.1at.%Yb:Sr3Y2(BO3)4获得了最优的实验结果：采用克尔透镜锁模技术，在中心波长1055.1nm处实现了脉宽52fs、平均输出功率370mW的超快激光输出；采用半导体可饱和吸收镜锁模技术，在中心波长1060.2nm处实现了脉宽108fs，输出功率0.97W，光光转换效率35.3%，斜效率49.5%的超快激光输出，以上指标基本达到项目拟定的研究目标，表明Yb:Sr3Y2(BO3)4是一种优异的高效率飞秒激光材料，在全固态小功率飞秒激光器的研制方面表现出良好的应用前景和价值。同时，采用物理胶合方法成功制备出Yb:Sr3Y2(BO3)4/Yb:KGd(WO4)2异质复合晶体，并在中心波长1054.6nm处实现了脉宽75fs、平均输出功率1.03W的超快激光输出，为复合激光晶体材料的研制提供了有效的设计思路。此外，项目组研发了一类具有优异热性能（热导率>5WmK-1,RT）和机械性能（莫氏硬度>6,RT）的新型硼酸盐晶体，其中基于Yb:LaMgB5O10在1μm波段分别实现了百飞秒量级的瓦级脉冲激光输出，和输出功率5W左右的双/三波长连续激光同时输出，表明该晶体有望在中高功率激光技术中实现突破和应用。