晶体/玻璃复合激光介质材料的结构设计和可控制备研究

With the development of all-solid-state, high-power, and short-pulse width lasers, laser materials have new developing opportunities. After the analysis and comparison of the performance characteristics of the single crystal, glass and transparent ceramics, the first intended job is to use simple cubic structure of the alkaline earth metal fluoride crystals (MeF2, Me = Ca, Sr, Ba) to achieve Yb3+ local coordination structure design and regulation, and to develop a wide spectrum, high gain Yb:MeF2 single crystal. On this basis, combining the respective advantages of crystal, glass, transparent ceramics in the way of performance and preparation, and integration of the part of the fluid laser’s design ideas, it is originally proposed the design idea and technical solution of functional assembly crystal / glass composite laser material, and then to develop a class of new crystal / glass composite laser materials with a wide spectrum, high gain, large size and other characteristics, and to explore new applications in the field of ultrafast laser.

随着全固态、高功率、短脉冲激光技术的发展，激光材料也迎来了新的发展机遇。在分析比较了单晶、玻璃和透明陶瓷的性能特点后，本项目拟在具有简单立方结构的碱土金属氟化物晶体（MeF2，Me＝Ca, Sr, Ba）中，实现Yb3+的局域配位结构的设计与调控，研制出具有宽光谱、高增益的Yb:MeF2体单晶。在此基础上，结合晶体、玻璃、透明陶瓷在性能和制备方式上的各自优点，融合流体激光器的部分设计思想，原创性地提出功能组装型的晶体/玻璃复合激光材料的设计思想和技术方案，研制出一类具有宽光谱、高增益、可大尺寸制备等特性的新型晶体/玻璃复合激光材料，并实现在超短脉冲激光领域的新应用。

二极管直接泵浦的新一代脉冲激光器在激光点火、微加工、生物医疗等领域具有广泛应用。掺镱/钕激光材料是发展新一代激光器的重要工作物质，当前主要采用稀土离子掺杂的S-FAP晶体（美国/Mercury）、CaF2晶体（德国/POLARIS工程等）及YAG晶体/陶瓷（法国/LUCIA、日本/Gekko XII）。.本项目主要研究大尺寸、高光学质量稀土离子掺杂氟化物晶体的生长制备。通过设计共掺离子（Na+、Y3+），调控稀土离子（Yb3+、Nd3+）局域配位结构，直观表征发光中心及团簇现象，获得宽发射光谱，实现高功率、短脉冲激光输出。.（1）、采用坩埚下降法生长Yb:CaF2及Yb/Na:CaF2晶体。晶体在辐照过程中产生新缺陷，Yb3+转换成Yb2+；300℃或400℃退火可消除辐照产生的缺陷。通过电荷补偿机制共掺Na+，可有效抑制Yb3+团簇形成，同时抑制缺陷生长，进而抑制Yb2+生成。.（2）、采用温度梯度法生长出Yb:CaSrF4晶体，等径部分100mm以上。采用双层碳纳米管饱和吸收体，实现锁模激光输出，脉宽5 ps、中心波长1045.5 nm，重复频率87 MHz，平均输出功率292 mW。共掺Y3+可提高Yb3+发射截面和荧光寿命，光谱带宽变窄；LD泵浦Yb,Y:CaF2晶体，获得脉宽330 fs，中心波长1049 nm，平均输出功率224 mW，重复频率83 MHz。.（3）、Nd/Y:CaF2晶体中实现百飞秒锁模激光输出。采用温度梯度法生长系列Nd/Y:CaF2晶体，获得发射半高宽31nm。采用低温光谱、低温荧光衰减曲线、介电常数虚部与温度关系、EXAFS谱等，发现发光中心由单掺Nd时的至少5种，减少到单一发光中心。Nd3+配位数、Nd-F键长随Y3+浓度增加而增加。采用扫描透射电子显微镜-高角度环形暗场，获得稀土离子在晶体中的分布、Nd3+团簇结构、Y3+取代Nd团簇中部分格位的情况。LD泵浦Nd/Y:CaF2晶体，实现103 fs锁模激光输出，中心波长1054nm。.该项目通过设计、制备、表征和应用探索，实现功能导向的创新材料体系，获得大尺寸、高光学质量、稀土离子掺杂氟化物晶态材料，揭示决定晶态材料宏观性质的功能基元及其在空间的集成方式，对发展高功率脉冲激光具有重要的科学意义及应用价值。