新型掺镱超快激光晶体的生长与性能研究

掺镱离子超快激光材料属三能级（或准四能级）系统，其激光下能级过于接近基态，存在自吸收、温度效应强和激光泵浦阈值偏高的缺点。与掺镱离子非晶态（玻璃、光纤）材料不同，单晶由于其特有的晶格场、有望实现弱热效应、低阈值的强场耦合准四能级宽调谐超快激光运转。.本项目拟选择稀土正硅酸盐（Yb:Re2SiO5，Re=Gd，Lu，Y，Sc等）单晶及其混晶为主要研究对象，通过分子设计、Re=Gd，Lu，Y，Sc等的组合和调整：1）进一步提高晶体中Yb3+激活离子和基质的耦合强度，实现弱温度效应、低阈值的强场耦合准四能级激光运转；2）优化晶体的综合物化性能（特别是热性能）、获得优质大尺寸晶体；3）另一方面，在基质晶体中形成无序（Disorder）和多格位，获得具有更宽发射带和更高增益的宽调谐超快激光介质。该研究对我国发展具有自主知识产权的高效率、低阈值全固态超快激光具有重要的现实意义。

掺镱光纤和晶体等超快激光已经在科研、工业和医疗等领域获得实际应用。但该领域遇到的挑战是镱离子属三能级（或准四能级）系统，其激光下能级过于接近基态，自吸收大、温度效应强且激光泵浦阈值偏高等。亟需发展能级分裂大、发射光谱宽的新型激光基质。中国科学院上海硅酸盐所徐军研究员领导的课题组，首次提出“强场耦合Yb3+离子准四能级系统”新概念，即利用强场耦合作用增加Yb离子能级劈裂，降低激光下能级热布居比例；发展了具有自主知识产权、泵浦阈值低、发射光谱平坦光滑的新型掺镱硅酸盐超快激光晶体，在放大器、超快激光、高光束质量高端全固态微片激光器方面具有潜在应用前景。在硅酸盐系列晶体中筛选出具有最高热导率（7.5 W•m-1•K-1）和唯一具有负温度折射率系数（dn/dT = -6.3×10-6 K-1）的Sc2SiO5（SSO）晶体。成功生长出高质量Yb:Gd2-2xY2xSiO5（Yb:GYSO）、Yb:Lu2-2xY2xSiO5（Yb:LYSO）、Yb:Sc2-2xY2xSiO5(Yb:SYSO)、Yb:SSO等块状晶体。在超快激光器方面，Yb:SSO晶体基态能级分裂达1027cm-1，继在国际上首次实现该晶体激光输出后，又先后实现125fs和71fs脉冲（重复频率89MHz）超快激光输出。在薄片激光器方面，Yb:SSO晶体厚度仅150μm时实现连续激光输出280W，并在1036nm处SESAM锁模获得高光束质量（M2<1.1）激光，平均输出功率27.8W，脉冲时间298fs，进而建立了高光束质量高功率超快微片激光系统。本项目实施过程中，课题组在激光晶体和超快激光方面出版著作（章节）3部；在Optics Letters、Optics Express、Applied Physics Letters等国际核心期刊上发表论文62篇，其中影响因子大于3的有53篇，含Optics Letters 7篇、Optics Express 11篇、Laser Physics Letters15篇；国际会议邀请报告8次；申报国家发明专利9项，其中授权专利1项；培养研究生5名。项目组通过积极组织和参与主流国际会议、邀请国外专家访问等方式，与德国、法国和瑞士等同行进行了深入学术交流与合作。