局域结构可控的Nd：AeF2（Ae=Ca，Sr，Ba）激光晶体的研究

随着激光新技术和LD泵浦光源的不断发展，激光材料也迎来了新的发展机遇。当前，结构紧凑、效率高、可重频工作是超强超短激光技术的前沿发展方向，所采用的激光介质主要有Yb晶体和Nd玻璃。但是，Yb离子属于三能级系统，阈值高、激光输出温度依赖性强；而四能级系统的Nd玻璃热性能差不能高重频工作。本项目首次提出阴离子配位无序的思想，在热导率高的碱土金属氟化物晶体（AeF2，Ae=Ca,Sr,Ba）中形成局域配位无序的结构，实现Nd3+离子光谱的非均匀加宽。在此基础上，通过共掺一价电荷补偿离子，调整Nd3+的局域结构，进一步调控其吸收、发射光谱性能和荧光寿命，初步达到激光晶体材料的结构-性能设计和可控制备的设想。最终，在单晶体中获得Nd3+离子宽的吸收和发射光谱，实现LD泵浦飞秒激光输出。

激光技术经过半个多世纪的发展，超快激光技术是其发展前沿之一，而具有宽带发射光谱特性的激光晶体是超快激光器的关键基础元件之一。本项目基于“局域配位结构调控”的学术思想，系统研究了Y、Gd、La等调剂离子共掺对Nd:AeF2晶体光谱性能的影响规律：一方面，共掺调剂离子可以降低晶体中Nd离子的局域对称性，消除晶体中的Nd离子猝灭团簇，形成非猝灭的中心，大幅度地提高荧光量子效率；另一方面，改变调剂离子的浓度和种类，还可以实现对Nd离子光谱参数，如发光波长、发射截面、吸收截面、荧光寿命、线宽等的调控。此外， EXAFS谱和HAADF像都直接证明了共掺调剂离子后Nd离子的局域结构发生了变化。. 通过共掺调剂离子并调整晶体的组成，实现了激活离子Nd3+在AeF2晶体中微观局域配位结构的有效控制和光谱性能参数的调控，成功地研制出一系列光谱性能参数可调控、综合性能优异的Nd,Y:CaF2、Nd,Y:SrF2、Nd,Gd:SrF2晶体。通过局域配位结构调控，Nd3+:AeF2晶体的光谱参数可以在一定范围进行调控：发射波长1040~1070nm、发射带宽（FWHM）15~31nm、发射截面1.5~4.5×10-20cm2、寿命200~1000µs等，并采用LD泵浦在Nd,Y:CaF2晶体中被动锁模获得了激光脉宽103fs的超快激光输出，这是国际上首次在掺Nd激光晶体中实现百飞秒量级的超快激光输出。. 总体上，本项目系统地研究了Nd:AeF2激光晶体组成、局域结构和光谱性能之间的相互关系，通过共掺调剂离子在该类激光晶体中实现了结构设计和性能调控，并研制出了具有优异性能的激光晶体。本项目的研究工作对发展新型的高性能激光晶体材料，以及实现激光材料的结构设计和性能调控具有重要的意义和价值。. 相关研究成果在CrystEngComm、Optics Letters、Optics Express、Laser Physics Letters、J. Opt. Soc. Am. B等国际知名刊物上发表SCI 收录论文15 篇，申请发明专利3项，其中已授权1项。