局域晶体场影响下的Yb离子异常激光特性研究

Yb离子激光因其诸多内在优点正在引起越来越多的关注。室温下Yb离子的连续波、调Q脉冲以及锁模超短脉冲激光运转已在众多不同基质材料中得以实现。我们最近的研究指出，钒酸盐混晶中Yb离子的激光振荡呈现一系列有趣的独特行为和性质，如双阈值点，低量子缺损运转，单一的Sigma偏振态振荡等。这些现象与Yb离子的局域晶体场环境之间存在深刻的内在联系。本项目将研究和探索钒酸盐混晶、硼氧酸盐混晶以及其它低对称性混晶体系中Yb离子的激光振荡所具有的由其局域晶体场环境变化导致的这类异常现象和性质，阐明这些现象产生的物理机制，丰富和发展激光物理学和材料科学的相关知识和理论。同时，探索这些新现象在激光技术中的可能应用。

与传统的Nd离子四能级激光器不同，Yb等三价稀土离子准三能级激光器可呈现许多新的受局域晶体场环境影响的独特振荡行为和性质。本项目对钒酸盐混晶和其它新型无序晶体中Yb离子的基本激光特性开展了较为全面、系统的实验研究，揭示出基质材料的局域晶体场作用对Yb离子激光振荡性质所具有的关键性影响，观察到钒酸盐混晶所具有的不同于单一有序晶体的异常激光振荡行为，并对相关的准三能级激光器理论模型做了推广和完善，为深入理解这些异常激光振荡现象提供了理论基础。本项目的主要研究成果包括：观察到不同组分的Yb:钒酸盐混晶所产生的激光振荡呈现完全不同的偏振态演化行为，由此证实了局域晶体场所起的决定性作用；发现Yb0.015:Lu0.162Gd0.823VO4混晶产生的激光振荡存在输出功率的非连续变化行为，或“第二阈值点”；证实了双稳态现象为Yb:钒酸盐晶体连续波激光振荡所呈现的共性，而偏振态的跃变和共存则仅在Yb:GdVO4以及含Gd的Yb:钒酸盐混晶所产生的激光振荡中出现；对基于稳态振荡条件的准三能级激光器理论模型做了推广和完善，证明了该简化模型所得结果的普适性；研究了Yb:CNGG、Yb:CLNGG连续波和脉冲激光特性的差异，证实了无序晶体中局域晶体场作用的重要性。本项目的研究从实验和理论两方面揭示了Yb离子等准三能级激光器可能具有的振荡行为的多样性和复杂性，丰富和完善了激光物理学的相关理论，为新型全固态激光器件的研发提供了一定的技术基础。