全固态重频高功率超快激光晶体的基础研究

High-power and super-fast laser technology is one of the most important frontiers in the field of lasers, which attracts the full dedication of major developed countries in the world. To achieve the goals of all-solid-state, high repetition rate, and high energy conversion efficiency, the first challenge is developing new laser materials. The project focuses on the study of Yb or Nd doped alkaline earth fluoride crystals (Yb/Nd:MF2, M=Ca, Sr), in which regulator ions can be used to modulate the local coordination structures of the active Yb or Nd ions effectively. Then, the spectral properties and laser performance of the laser materials will be controllable. Firstly, the relationship of the constituents, local structures and spectral parameters will be established through the combination of the experimental investigations and theoretical simulation, in order to realize the structure design and spectral properties manipulation in these systems. Secondly, it was expected to achieve the breakthrough in large size and high optical quality crystal growth technique. Then, the all-solid-state laser operations with the high power, super-fast and high repetition rate will be demonstrated with the Yb/Nd:MF2 crystals. This work would lay the material foundation for the development of the cutting-edge laser technology, and is expected to bring birth of a new subject in the field of laser materials science.

高功率超快激光是激光科学技术领域最活跃的研究前沿之一，世界上各主要发达国家竞相大力发展。当前，高功率超快激光技术正在朝着全固态、高重复频率、高能量转化率等方向发展，而发展新型激光晶体材料是关键基础之一。本项目以Yb、Nd掺杂碱土氟化物晶体（简写为Yb/Nd:MF2，M=Ca或Sr）为研究对象，开展激光晶体的“掺杂工程”研究，即通过共掺调剂离子实现激活离子局域配位结构（团簇）的有效控制，从而达到调控光谱、激光性能的目的。重点研究Yb/Nd:MF2激光晶体的局域配位结构和光谱性能参数，建立“材料组成-局域配位结构-光谱性能参数”之间相互联系的物理模型，实现激光晶体的结构设计与性能调控；突破高光学质量激光晶体生长的关键技术；并实际验证激光晶体在全固态重频高功率超快激光运转模式下的工作性能，为我国激光前沿技术的发展奠定关键基础材料，并有望形成激光材料学科新的生长点和发展方向。

本项目面向全固态重频高功率超快激光技术和装置发展需求，系统地开展了Yb/Nd/Er掺杂的碱土氟化物激光晶体的局域配位结构、光谱性能调控、大尺寸高光学质量激光晶体制备关键技术和基于该晶体的全固态重频高功率超快激光技术等方面的基础性研究工作。主要取得了四个方面的研究成果：（1）发现稀土离子立方亚晶格团簇和四角反棱柱结构团簇相对稳定性判据，为稀土掺杂氟化物激光晶体的局域结构设计奠定了理论基础，并首次定量解析出钕离子立方亚晶格团簇和四角反棱柱结构团簇随掺杂浓度的演化特征，建立稀土掺杂氟化物激光晶体组成与局域配位结构的定量关系。（2）通过局域格位结构设计，实现掺Nd氟化物激光晶体光谱性能参数的连续调控，突破激光晶体与光谱参数一一对应的局限性，获得了一系列分别具有长寿命、大发射截面、宽发射带宽的新型重频超快激光晶体材料。（3）揭示Er离子团簇微观结构影响发光机理的两大因素，建立了精确描述Er离子团簇形成随掺杂浓度演变的定量模型。（4）发展热交换坩埚下降法（HEB）晶体生长技术，研制出Φ210mm高品质Nd/Yb掺杂碱土氟化物晶体，并实现了10Hz级重复频率的激光放大，突破了限制激光驱动器重频工作能力的瓶颈问题，为我国重频超强激光技术和装置的发展提供基础材料。本项目申请发明专利8项，其中3项获得授权；发表标注受本项目资助的SCI论文57篇；培养研究生19名，其中博士研究生11名；培养青年科研骨干4名，其中2人次于2019年获得国家自然科学基金委员会国家杰出青年科学基金项目资助，1人次于2021年入选上海市青年科技启明星（A类），2人次入选中国科学院青年创新促进会。