1 中国科学院上海硅酸盐研究所高性能陶瓷与超微结构国家重点实验室，上海 201899
2 暨南大学理工学院光电工程系，广东 广州 510632
3 同济大学物理科学与工程学院，高等研究院，上海 200092
当前，超强超快激光正朝着全固态、高重复频率、新波段等方向发展，而发展新型激光材料是其关键基础之一。稀土掺杂碱土氟化物激光晶体兼具有晶体的高热导和玻璃的宽光谱特性，在全固态重复频率超强超快激光领域具有重要应用。本文简要概述了萤石型氟化物晶体稀土离子团簇结构的基本特征、稀土离子局域结构的演变规律，围绕稀土掺杂碱土氟化物激光晶体的结构设计、光谱调控及激光应用，综述了局域结构设计在探索新型宽光谱超快激光材料方面的最新研究进展，并对其发展趋势进行展望。
局域格位结构 光谱性能调控 宽光谱超快激光 中红外激光 激光与光电子学进展
2024, 61(1): 0116002
1 暨南大学理工学院光电工程系，广州 510632
2 中国科学院上海硅酸盐研究所高性能陶瓷与超微结构国家重点实验室，上海 201899
稀土掺杂萤石卤化物在国民经济、**建设等领域发挥着不可替代的作用。萤石卤化物特殊的晶体结构导致稀土离子团聚，目前针对稀土离子团聚的系统研究还比较少。本文以稀土掺杂萤石卤化物为研究对象，采用第一性原理计算系统研究了从稀土离子单体到高阶团簇的结构特征、演变规律、联系及其影响因素。研究发现，稀土离子单体中心1|0|0|11(C4v)和1|0|0|12(C3v)稳定性随离子半径变化而改变，且不同晶体的变化趋势不同，与晶格畸变分析结果一致。晶格畸变与库仑作用相互耦合决定了电荷补偿间隙卤离子的占位倾向性，即C4v和C3v中心的相对稳定性。此外，共价效应使得PbF2和SrCl2晶体单体中心结构及其稳定性与CaF2、SrF2和BaF2不同。研究还揭示了晶体离子性和晶胞尺寸对单体中心能量差斜率的影响。文中还研究了稀土离子高阶团簇的结构，其稳定性演变规律与单体中心相对应。本文提出了高阶团簇相对稳定性判据，为新型稀土掺杂萤石卤化物的探索、筛选和研发提供指导，有望进一步拓展其应用范围。
萤石卤化物晶体 稀土离子团簇 结构演变 晶格畸变 高阶团簇 fluorite halide crystal rare earth ion cluster structure evolution lattice distortion high-order cluster
1 南昌大学物理与材料学院，南昌 330031
2 中国科学院赣江创新研究院，江西 赣州 341001
3 中国科学院上海硅酸盐研究所，上海 201899
4 上海电力大学，上海 200090
CaF2晶体在光刻机中应用成为国内外研究的热点，而晶体中存在各种缺陷严重制约其实际性能。本文跟踪观察了CaF2晶体(111)晶面形成的腐蚀坑的形貌特征和空间延伸特性，并分析了各种腐蚀坑所对应的缺陷特性，是实现对晶体缺陷精确表征与控制的前提。研究表明：CaF2晶体(111)晶面的腐蚀坑具有三角锥形坑、锥形-平底坑、平底坑3 种类型。三角锥形坑与锥形-平底坑具有定向移动特性，这表明这类腐蚀坑所对应的缺陷与材料的位错相关，其中：三角锥形坑的坑尖又有3种不同的精细结构，因此所对应的位错至少有3种晶体学走向；而平底坑没有观测到具有空间延伸特性，是缺陷被完全腐蚀后留下的尸体残余，其所对应的缺陷可能是杂质、空位、小的位错环等。通过实时追踪腐蚀坑的演化过程，获得腐蚀坑形成过程的物理参数，建立蚀坑的运动学模型，这也为进一步研究晶体材料的腐蚀理论提供基础。
氟化钙晶体 (111)晶面 缺陷 位错 腐蚀坑 calcium fluoride crystal (111) surface defects dislocation etch pit
1 中国科学技术大学稀土学院, 合肥 230026
2 中国科学院赣江创新研究院, 赣州 341000
3 中国科学院上海硅酸盐研究所,上海 201899
4 中国科学院上海光学精密机械研究所, 上海 201800
5 4.中国科学院上海光学精密机械研究所, 上海 201800
氟化钙晶体的抗γ射线辐照性能是其在太空应用的关键性能之一。本文报道了痕量La杂质对氟化钙晶体γ辐照诱导色心的影响。主要采用吸收光谱、电子顺磁共振(EPR)等手段对辐照前后存在不同痕量La杂质的氟化钙晶体进行研究。结果表明, 辐照后的氟化钙晶体产生多个色心吸收带, 且吸收带的吸收系数随辐照剂量和La杂质浓度增加而增加。EPR证实这种吸收带的形成是由氟化钙晶体中F心引起的, 而La3+的存在影响氟化钙晶体F心的稳定性和光谱位置, 本文提出了La3+与氟化钙晶体中F心存在的可能机制。
CaF2晶体 色心 γ辐照 La杂质 痕量 CaF2 crystal color center γ-irradiation La impurity trace
1 中国科学院上海硅酸盐研究所 高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室，上海 201899
2 暨南大学理工学院 光电工程系，广东 广州 510632
3 同济大学 物理科学与工程学院，上海 200092
可见波段激光因其在激光显示、光通讯、生物医疗、工业加工等领域的特殊应用而备受关注。近年来，Pr3+掺杂晶体作为一类重要的可见波段激光增益介质，已经在蓝光、绿光、橙光、红光波段实现了良好的激光输出，并已在氟化物中实现瓦级连续（CW）激光输出。本文系统总结了掺Pr3+氟化物和氧化物激光晶体在可见波段的光谱特性和激光输出现状，深入分析了激发态吸收、多声子弛豫、交叉弛豫过程对Pr3+可见激光输出的影响及其机制，旨在为新型可见光激光增益介质材料的筛选提供建议和指导。最后，总结了目前掺Pr3+可见激光晶体材料中仍存在的问题，并对后续的研究方向进行了展望。
可见光激光晶体 Pr3+掺杂 激发态吸收 交叉弛豫 多声子弛豫 visible region laser crystal Pr3+ doped excited state absorption cross relaxation multi-phonon relaxation
1 中国科学院上海硅酸盐研究所, 透明光功能无机材料重点实验室, 上海 201899
2 武汉工程大学, 湖北省光学信息技术重点实验室, 武汉 430205)
采用多孔坩埚温度梯度法生长了0.6at%Eu∶CaF2晶体和共掺0.6at%Eu, 6.4at%Na∶CaF2, 0.6at%Eu, 6.4at%Gd∶CaF2晶体。XRD测试表明晶体仍均表现为纯CaF2的立方相, 共掺后吸收强度降低。以398 nm氙灯激发晶体材料, 荧光光谱表明共掺调剂离子后可明显增加Eu2+在424 nm处的发光强度, 而Eu3+的特征发射5D0→7FJ(J=1, 2, 3, 4) 除了表现出半峰宽变大外, 峰位和强度均无明显变化。0.6at%Eu, 6.4at%Gd∶CaF2表现出Eu3+的5D2→7F3和5D0→7F0特征发射峰, 主要可能归因于共掺Gd3+后打破了非反演对称结构, R值(电、磁偶极跃迁比值)明显降低, 提高了晶体格位结构的对称性。共掺Na+后在CIE色域坐标图上显示坐标由(0.303 7,0.142 5)可变为(0.204 3,0.062 6), 对应从紫色到蓝色的色域调控。
Eu∶CaF2晶体 光谱调控 发光 Na+/Gd3+共掺 多孔坩埚温度梯度法 Eu∶CaF2 crystal spectroscopy tailoring luminescence co-doping Na+/Gd3+ porous crucible temperature gradient method
1 武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室, 武汉 430070
2 中国科学院上海硅酸盐研究所, 上海 200050
氟化钙(CaF2)晶体具有紫外透过率高(＞99%@193 nm)、抗激光损伤阈值高等特点, 在高功率紫外激光器、深紫外光刻机等领域具有广泛的应用。应力双折射是氟化钙晶体在实际应用中的关键性能指标, 会导致通过晶体的光束发生形变, 严重影响成像质量。采用坩埚下降法制备了尺寸为210 mm的氟化钙晶体, 系统研究了CaF2晶体的位错和小角度晶界以及结晶质量对晶体应力双折射的影响, 实验结果表明, 位错密度的增高、小角度晶界的聚集、结晶质量的变差, 会引起局部残余应力的集中, 加剧应力双折射现象。
氟化钙 位错 小角度晶界 结晶质量 应力双折射 CaF2 dislocation small angle grain boundary crystal quality stress birefringence
1 同济大学材料科学与工程学院， 上海 201804
2 中国科学院上海硅酸盐研究所人工晶体研究中心， 上海 200050
在1060~1100 ℃的温度范围内和真空条件下对Nd,Y∶SrF2激光晶体进行了高温退火处理，测试了高温退火前后Nd,Y∶SrF2晶体的X射线双晶摇摆曲线、抗弯强度、应力分布和波前畸变图谱。结果表明,高温退火能有效改善晶体的结晶性能、抗弯强度、应力分布和光学均匀性。当退火温度为1080 ℃、退火时间为36 h时，获得的晶体综合性能最优，该温度和时间为最佳退火参数。
材料 Y∶SrF2晶体 退火 结晶性能 抗弯强度 应力分布 光学均匀性
Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory of Transparent and Opto-functional Inorganic Materials, Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
2 Key Laboratory for Laser Plasmas (Ministry of Education), Department of Physics and Astronomy, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
3 Research Center of Laser Fusion, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China
4 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
The effect of co-doping Y3+ and the doping concentration of Nd3+ on the spectroscopic properties and laser performance of Nd:CaF2 crystals are investigated systematically. For a 0.5% Nd:CaF2 crystal, the emission lifetime at 1.06 μm increases from 18 to 361 μs by co-doping 10 at.% Y3+, while the emission cross section increases to 4.27×10 20 cm2 at 1054 nm. With a 10 at.% doping concentration of Y3+, Nd,Y:CaF2 crystals concentrate emission bands that peak at 1054 nm with shoulders at 1063 nm, and FWHM at about 30 nm. A diode-pumped, highly efficient laser operation is obtained with 0.5% Nd, 10% Y:CaF2 and 0.6% Nd, 10% Y:CaF2 crystals, with slope efficiencies over 30% and 27%, respectively, and a maximum output power up to 901 mW.
140.0140 Lasers and laser optics 160.0160 Materials 300.0300 Spectroscopy Chinese Optics Letters
2015, 13(7): 071402
1 超快激光研究室, 光电信息技术教育部重点实验室, 天津大学精密仪器与光电子工程学院, 天津300072
2 中国科学院上海硅酸盐研究所, 上海201899
掺Yb氟化物激光材料是继掺Yb氧化物激光材料之后的另一类重要的掺Yb激光材料, 已经成为可调谐激光和超快激光领域中研究的热点之一。 针对两种国产新型掺Yb的氟化物激光材料: 混晶材料Yb∶CaF2-SrF2和共掺离子型的单晶材料Yb, Y∶CaF2, 进行了详细的光谱特性比对实验研究。 通过荧光比对实验, 发现这两类激光材料的荧光光谱完全不同, 并分析了不同荧光产生的物理机制。 通过吸收率比对实验, 讨论了两类材料中的激活离子Yb或共掺离子Y的掺杂浓度对晶体吸收特性的影响, 得到了最佳掺Yb离子或共掺Y离子的浓度。 利用激光二极管作为泵浦源, 实现了这两类新型材料在折叠腔型下的连续激光输出运转, 其中对于共掺离子型Yb, Y∶CaF2晶体是首次实现连续激光运转。 通过激光对比实验, 获得了两类激光材料(四种样品)的激光输入—输出关系曲线, 测量了各自的斜效率和激光光谱特征。 通过系统地比较两类激光晶体的吸收率、 荧光光谱特性、 激光光谱特性以及连续激光运转的阈值功率和斜效率等参数得出以下结论: 在四种实验样品中, 共掺离子型单晶材料中的3at%Yb, 6at% Y∶CaF2晶体具有最好的光谱和激光特性, 具有良好的应用前景。 这些实验结果为进一步提升此类激光材料的性能提供了有益的参考。
掺Yb晶体 LD泵浦 光谱特性 Yb-doped fluoride crystal LD pumped Spectral characteristics 光谱学与光谱分析
2015, 35(9): 2478
