铒离子激活红外波段激光晶体的设计、生长与性能的系统研究

铒离子激活的晶体材料是红外1.6微米和2.8微米附近波段激光的重要增益介质，该二波段激光在国防和民用领域均具有重要的应用价值，目前已有的上述波段激光晶体主要沿用传统的YAG、YVO4等作为基质，无法满足很多应用领域的实际要求。本项目将从结构化学、晶场理论、固态光谱等基础理论出发,系统分析不同类型晶体中铒离子能级结构和发光机理的变化规律，有针对性地总结出基质晶体组分结构与铒离子1.6微米和2.8微米波段激光性能的相互关系，探索出分别有利于1.6微米和2.8微米波段激光高效运转的新晶体结构组成类型。在此基础上，设计筛选若干系列的铒离子激活红外波段激光晶体，开展晶体的固相合成和生长工艺研究，获得能够应用于性能测试的优质晶体，进行光谱与激光性能的理论与实验研究。最后，通过激活和共掺离子浓度的优化，获得实现1.6微米和2.8微米波段激光高效运转的新型增益晶体。

1.6和2.8微米波段激光在光通信、激光雷达、大气环境监测、遥感和生物医学等领域都具有重要的应用价值。Er3+激活晶体是实现1.6和2.8微米波段固体激光的主要增益介质。本项目通过系统分析不同类型晶体中铒离子能级结构和发光性能的变化规律，优化激活和共掺离子浓度，分别获得了实现1.6和2.8微米波段激光高效运转的若干新型激光晶体。对于1.6微米波段激光，系统研究了Er3+/Yb3+双掺材料的发光和激光特性，探索出适合该波段激光高效运转的介质材料筛选和掺杂离子浓度优化方案。筛选并成功生长了Er3+/Yb3+双掺RAl3(BO3)4（R=Y，Gd和Lu）系列单晶作为增益介质，在976nmLD泵浦下同时实现了高效率（40%）和高功率（1.2W）的1.6微米波段连续激光输出。针对实际应用的需求，率先在国际上研制出67ns脉宽、0.52mJ能量、1kHz重频的1560nm声光主动调Q和14ns脉宽、16.3μJ能量、41kHz重频的1520nm被动调Q脉冲激光器件，实现了高能量和高重频的调Q脉冲激光运转，其综合性能高于现有的该波段同类型固体激光器。在上述研究的基础上，借助于非线性频率转换技术，还在国际上首次实现了腔内倍频780nm和自倍频800nm的调Q脉冲激光输出。对于2.8微米波段激光，为了抑制Er3+离子4I11/2能级无辐射跃迁、辐射跃迁自终止效应和上转换发光损耗，选择了镓酸盐和铝酸盐晶体作为基质材料。通过晶体生长与光谱性能的测试研究，优化了Er3+掺杂浓度，分析Nd3+、Yb3+、Cr3+→Er3+的敏化机理，提高了晶体对泵浦光的吸收效率；分析了Pr3+、Ho3+、Tm3+和Eu3+等离子对于Er3+离子4I13/2能级的去激活机理，实现了Er3+离子4I11/2和4I13/2上下激光能级粒子布居数与荧光寿命的调控，抑制了Er3+离子4I11/2能级的辐射跃迁自终止效应。采用965nmLD作为泵浦源，在上述镓酸盐晶体中获得了瓦级平均输出功率的2.8微米波段脉冲激光运转，最高单脉冲能量达到610mJ，输出性能处于国际先进水平。本项目迄今已正式发表SCI收录论文40篇，申请中国发明专利10项，圆满完成了项目的各项预期目标。