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光学工程
中科院上海硅酸盐所高功率激光晶体研究获进展

激光技术经过半个多世纪的发展,超强超短激光技术是其前沿,受到国际上各个发达国家和经济体的重视,而具有宽带发射光谱特性的激光材料是超强超短激光器的关键基础元件之一。稀土离子掺杂的碱土氟化物AeF2晶体(Ae: Ca、Sr、Ba)一个显著的特点是激活离子的多重局域配位结构,形成类似于玻璃的宽光谱特性,同时具有晶体材料高的热导率,已成为主要的超强超短增益介质材料之一。此外,这类激光材料还具有以下优点:非常宽的透射范围,可以从深紫外一直到中红外;低的非线性折射率(n2),可以降低高强度激光泵浦作用下的非线性效应;较低的声子能量,有利于提高荧光量子效率;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;可以获得大尺寸单晶等。

中国科学院上海硅酸盐研究所研究员苏良碧、徐军团队自2003年开始系统开展了Yb:CaF2晶体的研究工作,提出“在稀土掺杂碱土氟化物(AeF2,Ae = Ca, Sr, Ba)激光晶体中掺入M+(或Me3+),可以在原子、分子和基团尺度上调控稀土离子的局域配位结构”的学术思想,发现在Yb3+:CaF2晶体中调整Na+和Yb3+的浓度比可以调节其吸收和发射光谱性能,并可形成独特的光谱性能,即在低温下(<80K)仍然具有宽吸收和发射光谱,有利于实现Yb3+离子低温四能级超快激光输出。与德国耶拿大学(POLARIS工程)、奥地利维也纳技术大学合作,分别实现了全LD泵浦的TW(太瓦,1012瓦)级超强超短激光输出和低温飞秒激光放大,使该晶体成为国际上发展新一代全LD泵浦超强超短激光装置的主要增益介质之一。

最近,上海硅酸盐所在Y3+,Nd3+:CaF2激光晶体中研究发现,通过调整掺杂离子Y3+、Nd3+的比例和组成,可以改变激活离子Nd3+在晶格中的微观局域配位结构,从而使得该晶体的光谱参数可以在一定范围进行调控:发射波长1040~1070nm、发射带宽(FWHM)15~31nm、发射截面1.5~4.5*10-20cm2、寿命200~1000μs等。由此,赋予了Nd:CaF2晶体材料新的生命力:2012年3月首次采用钛宝石泵浦实现了Nd,Y:CaF2晶体的激光输出;特别是2014年,与上海交通大学教授谢国强、钱列加等合作,采用LD泵浦实现了103fs的SESAM锁模超短脉冲激光输出,这是国际上首次在掺Nd的激光晶体中实现百飞秒锁模激光输出。此外,与中科院物理研究所魏志义研究员合作,实现了Nd,Y:SrF2晶体高效率的飞秒(332fs)锁模激光输出:激光斜率效率最高达67%,这是迄今Nd激光晶体中飞秒激光输出的最高效率。该晶体在高能重频激光系统中也展现出良好的应用前景。

以上工作得到了国家自然科学基金面上项目、重点项目和优秀青年基金,以及国家“863”计划的资助。


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