宽光谱稀土掺杂碱土氟化物激光材料的局域结构设计和性能调控

All-solid-state ultra-intense and ultra-short laser has been one of the most important science frontier fields, which provide us the new experimental means and extreme physical conditions in the fundamental science research. In this project, we hope to realize the controlled spectra properties and laser performances in the rare-earth ions (Nd3+, Yb3+, Er3+, etc.) doped alkaline-earth fluoride single crystals or polycrystalline materials(CaF2, SrF2, and BaF2), which usually have very broadband absorption and emission bands. Codoping non-active monovalent alkaline metal ions (Na+ or K+) or trivalent rare-earth ions (Y, Sc, La, Gd, etc.) will be used to modulate the local coordination structure of active ions in alkaline-earth fluoride. Then, the spectra properties and laser performance of the laser materials will be controllable. The experimental and theoretical system on the relationship between the local micro-structure and performances will be established, in order to discover the influence of local micro-structure on the spectra properties and laser performances of the laser materials, including single crystals and polycrystalline materials. Then, we can design the components and structure of laser materials to meet with the key requirements of lasers in the certain scope. Finally, new laser materials can be developed for the application in the international frontier all-solid-state ultra-intense and ultra-short laser technology and the country's strategic laser engineering.

全固态超强超短激光技术的发展为人类开展科学研究提供了全新的实验手段与极端的物理条件，是当前非常重要的科学前沿领域之一，这就为具有宽光谱性能的激光材料的发展带来了新的机遇。本项目提出在具有宽光谱性能的稀土离子（Nd3+、Yb3+、Er3+等）掺杂碱土氟化物（CaF2、SrF2、BaF2等）激光材料（单晶和多晶）中，通过掺入非活性离子M+或Me3+（M=Na, K等；Me=Y, Sc, La, Gd等），在微观尺度上有意识地设计和控制稀土离子的局域配位结构，实现材料吸收、发射光谱性能以及激光性能的调控；建立稀土离子晶格局域结构与光谱参数之间相互关系的理论体系，深入地揭示局域结构对光谱与激光性能的影响规律与机理，在一定范围内实现根据激光性能的要求进行激光材料的结构设计。在此基础上，研制出可用于全固态超强超短前沿激光技术和满足国家战略需求的激光材料。

超强超短激光技术的发展为人类开展科学研究提供了全新的实验手段与极端的物理条件，是当前非常重要的科学前沿领域之一。而具有宽带发射光谱特性的激光材料是发展超强超短激光器的核心和基础，具有里程碑的意义和作用。与氧化物相比，碱土氟化物 AeF 2 （Ae: Ca、Sr等）具有很多独特的优势：（1）非常宽的透射范围，可以从深紫外一直到中红外；（2）较低的折射率和非线性系数，可以降低高强度激光泵浦作用下的非线性效应； （3）较低的声子能量，有利于提高荧光量子效率；（4）具有负的折射率温度系数（即热光系数），在高能量密度下有利于获得高质量的激光光束等。而且，稀土离子掺杂的碱土氟化物Re 3+ :AeF 2 (Re:Nd、Yb、Er 等)一个显著的特点是具有多重局域配位结构，具有类似于玻璃的宽光谱特性。然而，在稀土离子掺杂碱土氟化物中，由于电荷不平衡（Re 3+ 取代 Ae 2+ ）引起的多格位结构，是自发形成的，即不受控制的，所形成的激光材料的光谱性能（包括发光波长、发射截面、荧光寿命等）并不能完全满足激光器的需求。因此，本项目提出在稀土离子掺杂碱土氟化物激光材料（透明陶瓷和晶体）中，通过掺入光学惰性性离子M+或Me3+（M=Na, K等；Me=Y, Sc, La, Gd等），在微观尺度上有意识地设计和控制稀土离子的局域配位结构，实现材料吸收、发射光谱性能以及激光性能的调控。通过五年的研究，实现了稀土掺杂氟化物纳米粉体的可控合成；弄清了稀土掺杂氟化物系列透明陶瓷制备及晶体生长过程控制规律，并制备出了高光学质量的透明陶瓷和晶体；通过多种光学惰性离子共掺弄清了其调控光谱性能的规律，并从理论上探索出了调控光谱特性的本质主要是改变局域配位结构；在透明陶瓷与晶体中均实现了高效近红外激光输出。为研究开发满足重大战略需求的激光材料奠定了较好基础。