基于有机-无机杂化的掺稀土氟化物纳米激光材料的制备及其光学性能研究

高功率和高重复频率激光器不仅是未来新能源的希望，在国防上也具有极其重要的地位。目前高重复强激光系统主要采用固体激光材料，而固体介质的热管理问题一直是该领域的技术瓶颈。针对这一难题，本项目提出了"流体激光"的新概念，即将掺稀土固体激光材料制成纳米颗粒并分散于液体中，得到一种集固体激光和液体激光优异特性于一体的新型激光工作物质。本项目拟通过研究稀土离子在液体环境中的荧光发射和无辐射跃迁机制，设计制备系列有机-无机杂化的掺稀土氟化物纳米材料和可满足激光输出参数、安全稳定的含氟、溴及硅等液体介质；通过调整固-液两相体系的折射率和温度折射率差，获得具有高增益、低光学损耗和高量子效率的新型流体激光材料；利用各种先进技术和理论，研究稀土纳米材料的结构、尺寸、形貌和流体环境对光学性能的影响；实现流体激光的动态输出，为探索发展新型激光材料和激光器提供理论与技术依据。

(1)本项目制备了三个种类的掺钕纳米晶激光材料，包括掺钕氟化镧纳米晶、氟化钕钾锂纳米晶和四磷酸锂钕纳米晶；研究了原料投料比、掺杂浓度和反应条件（时间、温度、PH值、溶剂）等对纳米晶形貌、结构、尺寸和荧光性能的影响。.(2)利用低温共沉淀法和水热合成法，获得的掺钕氟化镧纳米晶具有小尺寸（～30nm）、长寿命、低猝灭率及高分散性等特点，其纳米晶在DMSO和四溴乙烷混合液中的猝灭率仅为文献报道的六分之一，且在1053nm处的透过率可达80%。.(3)首次利用熔融-水热合成法制备出具有高掺杂浓度、长荧光寿命和高荧光强度的新型LiLa1-xNdx(PO3)4纳米晶，其在DMSO/四溴乙烷的纳米分散液透明、稳定。当Nd3+离子浓度为1×1020/cm3时，纳米分散液在1053nm处的透过率达到88%（2mm），寿命为100us，从而解决了高掺杂浓度和长荧光寿命相矛盾的问题。.(4)首次利用低温共沉淀-高温煅烧法制备出系列复合氟化物K5NdLi2F10纳米晶。当Nd3+离子掺杂浓度为100mol%时，其荧光强度是掺钕玻璃（3%）的90%，且寿命可达250us, 是一种具有极大潜力的纳米激光材料。.(5)根据溶剂的密度、折射率与增益介质相匹配的原则，优选出四溴乙烷和二溴乙烷，DMSO和四溴乙烷，四氯化碳、环己烷等多组分混合液作为流体激光载体，并对其光学特性和稳定性进行了研究。.(6)以掺钕玻璃微珠阵列为研究对象，利用Fluent软件对增益介质在激光泵浦和冷却过程中的温度分布、压力分布、流场分布等参数进行了模拟，设计并搭建了LD泵浦的激光振荡平台。利用直径2.5mm掺钕玻璃微珠阵列浸没式体系，在1Hz重复频率下连续工作300s，实现了脉冲能量35.5mJ的均匀输出，对进一步改善流体激光的输出质量和效能具有重要意义。.依托本项目，在国际高水平刊物上发表SCI论文13篇，申请中国发明专利3项，国防专利授权1项；培养博士生4名，硕士研究生5名。全面超额完成了项目预期研究研究目标，部分成果达到国际先进水平。