激光技術(shù)經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展,超強(qiáng)超短激光技術(shù)是其前沿,受到國際上各個(gè)發(fā)達(dá)國家和經(jīng)濟(jì)體的重視,而具有寬帶發(fā)射光譜特性的激光材料是超強(qiáng)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(gè)顯著的特點(diǎn)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(shí)具有晶體材料高的熱導(dǎo)率,已成為主要的超強(qiáng)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(diǎn):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(qiáng)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(fù)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(tuán)隊(duì)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(tuán)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(dú)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(shí)現(xiàn)Yb3+離子低溫四能級(jí)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(shí)現(xiàn)了全LD泵浦的TW(太瓦,1012瓦)級(jí)超強(qiáng)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(qiáng)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(jìn)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(shí)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(qiáng)、錢列加等合作,采用LD泵浦實(shí)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(shí)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(shí)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(dá)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(xiàng)目、重點(diǎn)項(xiàng)目和優(yōu)秀青年基金,以及國家“863”計(jì)劃的資助。
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