通过配位结构调控实现Pr:AeF2 (Ae=Ca, Sr, Ba) 晶体可见波段激光输出的研究

Visible band lasers have attracted great interest because of their potential applications in the fields of high density optical data storage, laser printing, large screen color display, biomedicine and undersea communication. The bottleneck of practical development of LD pumped visible band lasers is in the material. This project focuses on Pr3+-doped alkaline-earth fluoride laser crystals, which have potential applications and research foundation. It is proposed that based on the idea of local coordination structure modulation, break the dimer or trimer clusters of Pr3+ in the host lattice local structure, by codoping trivalent non-radiant rare earth metal ions, so as to improve the population and lifetime of upper level, solve the problem of fluorescence quenching, and improve the luminescence efficiency and reduce the pumping threshold. Besides, systematic study will be carried out on lattice symmetry structure regulation and spectral and laser properties regulation effect, from different molar ratios between Pr3+ and codoped ions, aiming to realize visible laser output based on Pr3+-doped alkaline-earth fluoride crystals and develop valuable visible band laser materials and lasers with independent intellectual property rights.

可见波段激光在高密度光学数据存储、激光打印、大屏幕彩色显示、生物医学以及海底通讯等领域有重要应用，是目前固体激光领域研究的热点。LD泵浦的可见波段激光器的实用化发展瓶颈关键在材料。本项目针对目前具有应用潜力和研究基础的掺Pr3+碱土氟化物激光晶体，提出：基于局域配位结构调控的思想，通过共掺三价非发光稀土金属离子，在原子、分子和基团尺度上调控Pr3+在基质晶格中的局域配位结构，打破其二聚体或三聚体团簇，有效提高激光上能级粒子布居及能级寿命，解决荧光猝灭问题，从而大大提高发光效率和降低激光泵浦阈值。另外，系统研究共掺离子和Pr3+的不同摩尔比对Pr3+在基质晶格中的点阵对称结构的调节作用，及对其光谱和激光性能的调控作用，获得结构与性能间关系的规律性认识，力争在Pr3+掺杂碱土氟化物晶体材料中首次实现可见波段的激光输出。发展具有实用价值和自主知识产权的可见波段激光材料和激光器。

可见波段激光在高密度光学数据存储、激光打印、大屏幕彩色显示、生物医学以及海底通讯等领域有重要应用，是目前固体激光领域研究的热点。LD泵浦的可见波段激光器的实用化发展瓶颈关键在材料。本项目针对目前具有应用潜力和研究基础的掺Pr3+碱土氟化物激光晶体，提出：基于局域配位结构调控的思想，通过共掺三价非发光稀土金属离子，在原子、分子和基团尺度上调控Pr3+在基质晶格中的局域配位结构，打破其二聚体或三聚体团簇，有效提高激光上能级粒子布居及能级寿命，解决荧光猝灭问题，从而大大提高发光效率和降低激光泵浦阈值。力争在Pr3+掺杂碱土氟化物晶体材料中首次实现可见波段的激光输出。. 本项目利用坩埚下降法和温度梯度法，成功的生长了一系列高光学质量的Pr:CaF2，Pr,Y:CaF2、Pr,Gd:CaF2和Pr,Lu:CaF2晶体。通过XRD和ICP等手段研究了Pr3+、Y3+、Gd3+和Lu3+离子浓度变化对CaF2晶体结构性质的影响，表明晶体样品仍保持CaF2晶体的萤石立方结构，衍射图谱与CaF2晶体标准卡片衍射峰完全匹配，并无 PrF3、YF3、GdF3等杂质相出现。通过研究室温吸收发射光谱，发现共掺三价非发光稀土离子，有效打破了Pr3+离子团簇，大大提高晶体的发光效率，当Gd3+离子掺杂浓度为6.0%时， 红光荧光峰发光强度相比单掺样品提高16倍。通过研究Pr,Gd:CaF2系列晶体的荧光衰减特性，发现其衰减行为呈现双寿命特征，体现了晶体内发光中心种类的多样性，0.6%Pr:CaF2晶体的荧光寿命为23µs（快成分）和121µs（慢成分），而0.6%Pr,6%Gd:CaF2晶体的寿命为31µs（快成分）和48µs（慢成分），随着调剂离子浓度的逐渐提高，荧光寿命的快成分和慢成分逐渐趋同靠近，说明晶体内发光中心的种类在逐渐减少，体现了调剂离子对Pr:CaF2晶体性能的调控作用。通过LD泵浦，在0.6%Pr,1.2%Gd:CaF2晶体中首次实现了642nm红光激光输出，获得最大输出功率22.2mW，激光阈值约340mW，斜率效率约7.5%，激光波长641.9nm，为解决目前制约该类材料实现可见波段激光输出的瓶颈问题提供方向性指导，力争发展具有实用价值和自主知识产权的可见波段激光材料和激光器，在激光显示等领域拥有重要的现实意义。