稀土配合物液体激光材料的制备及其光学性能研究

There are some bottlenecks with high energy solid laser material such as: easily damaged, hot management in operation, which restrict its repeating frequency, the scope of use, operating cycle and lifetime. The rare-earth complex liquid laser material, its luminescent centers are still rare-earth ions, the flowing carrier is organic solvent which has no absorption with pumped and output laser. It can avoid the heat accumulation by cycle flowing. Accordingly, it combines the excellent spectra properties of rare-earth ions and good heat management of liquid, provides a new method for solving the heat management bottleneck of high energy solid laser material. In this project the effects of coordination configure and phonon vibration to optical properties of materials will be investigated, and the laser properties will be evaluated by Judd-Ofelt theory; the new rare-earth complex liquid laser materials with high actinic chemistry stable, low absorption loss, large emission cross-section, long lifetime will be designed and synthesized; the heat management model will be set, under the effective of heat management the stillness and continuous laser will be achieved; theoretical bases and technical references for exploring and developing new style laser system will be offered.

高能固体激光材料由于易产生自损伤，运行中的热管理等瓶颈问题，限制了它的使用频率、使用范围、运转周期和寿命。稀土配合物液体激光材料，其发光中心仍为稀土离子，有机溶剂为流动载体，溶剂对泵浦光和输出光无吸收，并且可以通过循环流动的方式进行热管理。因此，它兼具稀土固体激光材料优异的光学性能，又具有液体激光材料自修复和流动热管理的优点，为解决高能固体激光器的热管理瓶颈提供一种新的思路。本项目将研究稀土离子配位构型、有机配体声子振动对激光材料光学性能的影响规律，利用Judd-Oflet理论对材料的激光特性进行计算分析，设计制备具有高光化学稳定性、低吸收损耗、大受激发射截面、长荧光寿命的新型稀土配合物液体激光材料；建立新型液体激光增益介质的热管理模型，使其在有效热量管理条件下实现静态及动态激光输出，为探索发展新型激光器提供理论依据和技术参考。

稀土配合物液体激光材料，其发光中心仍为稀土离子，有机溶剂为流动载体，溶剂对泵浦光和输出光无吸收，并且可以通过循环流动的方式进行热管理。因此，它兼具稀土固体激光材料优异的光学性能，又具有液体激光材料自修复和流动热管理的优点，为解决高能固体激光器的热管理瓶颈提供一种新的思路。.本项目从制备具有低声子能量的稀土掺杂三元配合物发光材料入手，开发了十余种含铕或钕三元配合物液体激光材料，并对其热分解能力进行了研究，发现三氟乙羧酸钕（铕）的三元配合物都具有很好的耐热性和稳定性，分解温度都在200℃以上，满足作为液体激光材料的热稳定性要求；研究了不同配位构型和取代基团对稀土发光中心的荧光强度和寿命的影响规律，含双齿的刚性结构配体的掺钕三元配合物具有较大受激发射截面，而含双齿的刚性结构配体的掺铕三元配合物具有较长的荧光寿命。获得了三氟乙酸钕、三氟乙酸钕三苯基氧磷两个配合物的单晶结构，晶体结构属于单斜晶系，在晶胞单元中有两个分子单元形成一个中心对称的双核结构，两个Nd(III)中心与由阴离子提供的八个O原子配位，形成八配位稳定构型，为从分子水平上研究材料的结构和光学特性关系提供依据；研究并对比了几种溶剂的光热特性和非线性光学特性，三氯氧磷具有较好的溶解特性，较低的非线性折射率系数1.19×10-13 esu，可以应用于液体激光器的流动载体。制备了Nd(CF3COO)3•(Ph3PO)2三氯氧磷液体激光材料，钕离子的浓度达到1.2×1020 个/cm-3， 1063 nm的荧光衰减寿命为70 µs，计算受激发射截面达2.78×10-20cm2。设计并构建了流体循环系统，并用ZEMAX模拟优化泵浦方案，实现了新型液体激光材料激光输出。.本项目从激光材料的合成、性能的表征，激光输出特性的理论模拟及计算，直至以新材料为基础设计并构建新构型液体激光器，实现激光输出。 研发环节链完整，集原创性和自主知识产权于一体，圆满的完成了预定研究目标，对于研发新型激光器，解决高能量和高重复频率输出的热管理瓶颈，具有十分重要的理论和实践意义。