低对称性掺Yb氟氯化铅激光晶体的配位结构调控和性能研究

LD-pumped Yb-doped ultra-fast laser becomes the development cutting-edge of the ultra-short laser technology due to its compact structure, small size, low cost, high efficiency and re-frequency operation. However, there are also many shortcomings such as the self-absorption, the strong temperature effect and high pumping threshold because of its three-level system. On the basis of the research of Yb: CaF2, and Yb: PbF2 laser crystals, we select the tetragonal PbClF crystal as the laser host in this project whose low-symmetry structure can reduce to the larger Stark splitting of the ground state level, the weak temperature effect and quasi-four level laser operation with low threshold. On the other hand, the broad absorption and emission spectra of Yb ions can be obtained from the disorder of the first anion-coordination shell (interstitial F- or Cl-) due to the inhomogeneous broadening effect. This is conducive to the output of Yb femtosecond laser.

LD泵浦掺Yb超快激光器具有结构紧凑、体积小、成本低、效率高、可重频工作等优点，是当前超强超短激光技术的前沿发展方向。但是，Yb离子属三能级系统，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。本项目在Yb:CaF2、Yb:PbF2晶体的研究基础上，选择四方结构的氟氯化铅晶体（PbClF）作Yb离子的掺杂基质，利用低对称结构形成基态能级较大的Srark能级分裂，实现弱温度效应、低阈值的强耦合准四能级激光运转；另一方面，通过第一配位壳层阴离子配位结构的无序性（间隙F-或Cl-配位）增加Yb离子的吸收和发射光谱的宽带，有利于实现LD泵浦更短脉冲的飞秒激光输出。

二极管直接泵浦的新一代超短超强脉冲激光器在激光点火、微加工、生物医疗等领域具有广泛应用。掺镱/钕激光材料是发展新一代高能量激光器的重要工作物质，本项目主要研究稀土镱/钕离子掺杂氟化物晶体的生长制备、光谱及激光性能。在Yb（Nd）:CaF2晶体的研究基础上，选则低对称结构的氟氯化铅PbClF为掺杂基质。（1）通过坩埚下降法生长了不同掺杂浓度的Yb:PbClF晶体，实现了掺杂离子Yb3+宽带发光。其中2%Yb:PbClF晶体1026nm 发射带宽达58nm，荧光寿命高达5.53ms；1070nm荧光寿命高达 3.3ms，通过低温光谱确定Yb3+基态2F7/2能级的晶场Stark 劈裂高达1130cm-1，对应激光下能级粒子布居仅为0.44%，有利于实现低阈值的激光运转。Nd 3+离子在PbClF 晶体中在1.06um 波段具有平滑的宽带发光，其中0.5%Nd:PbClF中其发射带宽达到30nm，是钕玻璃的1.5倍，非常有利于实现1.06um波段宽带调谐激光和超短激光脉冲输出。(2) 采用温度梯度法生长出高光学质量的Yb,Y:CaF2晶体，直径约80 mm，等径约50 mm。共掺Y3+可提高Yb3+发射截面和荧光寿命，光谱带宽变窄。采用SESAM 饱和吸收体，实现330fs锁模激光输出、中心波长1049 nm，重复频率83MHz，平均输出功率224mW。(3) 采用TGT和低温下降法生长高光学质量的Nd:CaF2晶体。单掺Nd:CaF2晶体由于具有[Nd3+-F-]n团簇结构，容易产生强烈的浓度猝灭效应，影响晶体的发光效率，通过共掺缓冲离子Y3+，可以形成[Y3+-F-]偶极子打破猝灭团簇，改善光谱性能。共掺Y后对发射谱半高宽的调控范围为25nm~29nm，对峰值1054nm发射截面调控范围为1.7~2.9×10-20cm2，对荧光寿命调控范围为12.32~372.18μs，对荧光量子效率的调控范围为2.17~73.22%。LD泵浦下采用0.5% Nd,10%Y:CaF2 ,0.8%Nd,5%Y:CaF2 和 0.8%Nd,10%Y:CaF2 晶体均实现连续激光输出，激光斜率分别为30.1%, 19.3%, 和24%.该项目通过晶体材料设计、制备、表征和应用探索，获得大尺寸、高光学质量、稀土离子Yb、Nd掺杂氟化物晶体，对发展高功率脉冲激光具有重要的科学意义及应用价值。