中國科學(xué)院高功率激光晶體研究獲進展

激光技術(shù)經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，超強超短激光技術(shù)是其前沿，受到國際上各個發(fā)達國家和經(jīng)濟體的重視，而具有寬帶發(fā)射光譜特性的激光材料是超強超短激光器的關(guān)鍵基礎(chǔ)元件之一。稀土離子摻雜的堿土氟化物AeF2晶體（Ae: Ca、Sr、Ba）一個顯著的特點是激活離子的多重局域配位結(jié)構(gòu)，形成類似于玻璃的寬光譜特性，同時具有晶體材料高的熱導(dǎo)率，已成為主要的超強超短增益介質(zhì)材料之一。此外，這類激光材料還具有以下優(yōu)點：非常寬的透射范圍，可以從深紫外一直到中紅外；低的非線性折射率（n2），可以降低高強度激光泵浦作用下的非線性效應(yīng)；較低的聲子能量，有利于提高熒光量子效率；具有負的折射率溫度系數(shù)（即熱光系數(shù)），在高能量密度下有利于獲得高質(zhì)量的激光光束；可以獲得大尺寸單晶等。

     中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員蘇良碧、徐軍團隊自2003年開始系統(tǒng)開展了Yb:CaF2晶體的研究工作，提出“在稀土摻雜堿土氟化物（AeF2,Ae = Ca, Sr, Ba）激光晶體中摻入M+（或Me3+），可以在原子、分子和基團尺度上調(diào)控稀土離子的局域配位結(jié)構(gòu)”的學(xué)術(shù)思想，發(fā)現(xiàn)在Yb3+:CaF2晶體中調(diào)整Na+和Yb3+的濃度比可以調(diào)節(jié)其吸收和發(fā)射光譜性能，并可形成獨特的光譜性能，即在低溫下（<80K）仍然具有寬吸收和發(fā)射光譜，有利于實現(xiàn)Yb3+離子低溫四能級超快激光輸出。與德國耶拿大學(xué)（POLARIS工程）、奧地利維也納技術(shù)大學(xué)合作，分別實現(xiàn)了全LD泵浦的TW（太瓦，1012瓦）級超強超短激光輸出和低溫飛秒激光放大，使該晶體成為國際上發(fā)展新一代全LD泵浦超強超短激光裝置的主要增益介質(zhì)之一。

     最近，上海硅酸鹽所在Y3+,Nd3+:CaF2激光晶體中研究發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)整激光配件摻雜離子Y3+、Nd3+的比例和組成，可以改變激活離子Nd3+在晶格中的微觀局域配位結(jié)構(gòu)，從而使得該晶體的光譜參數(shù)可以在一定范圍進行調(diào)控：發(fā)射波長1040~1070nm、發(fā)射帶寬（FWHM）15~31nm、發(fā)射截面1.5~4.5*10-20cm2、壽命200~1000µs等。由此，賦予了Nd:CaF2晶體材料新的生命力：2012年3月首次采用鈦寶石泵浦實現(xiàn)了Nd,Y:CaF2晶體的激光輸出；特別是2014年，與上海交通大學(xué)教授謝國強、錢列加等合作，采用LD泵浦實現(xiàn)了103fs的SESAM鎖模超短脈沖激光輸出，這是國際上首次在摻Nd的激光晶體中實現(xiàn)百飛秒鎖模激光輸出。此外，與中科院物理研究所魏志義研究員合作，實現(xiàn)了Nd,Y:SrF2晶體高效率的飛秒（332fs）鎖模激光輸出：激光斜率效率最高達67%，這是迄今Nd激光晶體中飛秒激光輸出的最高效率。該晶體在高能重頻激光系統(tǒng)中也展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。以上工作得到了國家自然科學(xué)基金面上項目、重點項目和優(yōu)秀青年基金，以及國家“863”計劃的資助。

 

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