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 中国科学院上海硅酸盐研究所，上海 201899
2 中国科学院大学材料科学与光电技术学院，北京 100049
本文采用了激光加热基座(LHPG)法逆向生长技术，实现了多组分Er∶YAP晶体的快速制备。利用LHPG法开展了Er∶YAP单晶光纤的生长研究，通过解决单晶光纤生长过程中存在的色心、开裂、直径起伏等关键问题，制备出直径0.8 mm、长度65 mm的高品质Er∶YAP单晶光纤。对不同掺杂浓度Er∶YAP晶体的光谱性能进行表征分析，结果表明掺杂浓度5%(原子数分数)时，Er3+间存在较强的能量传递过程，有利于实现高效率中红外激光输出。
中红外激光 Er∶YAP晶体 激光加热基座法 单晶光纤 能量传递 mid-infrared laser Er∶YAP crystal laser-heated pedestal growth method single crystal fiber energy transfer
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 1.中国科学技术大学 稀土学院, 合肥 230026
2 2.中国科学院 赣江创新研究院, 赣州 341119
3 3.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 上海 201899
4 4.上海理工大学 材料科学与工程学院, 上海 200093
5 5.中国电子科技集团公司 第九研究所, 绵阳 621000
随着高功率激光和光通信技术的迅速发展, 如何消除光学系统内部产生的反射噪声是一个至关重要的问题。磁光隔离器是依据法拉第效应设计而成的磁有源器件, 能够有效隔离大部分反射光以保证光学系统稳定工作, 而法拉第磁光材料作为磁光隔离器的核心部件, 其研究和应用推动了磁光隔离器的更新与发展。CeF3晶体具有高透过率、宽透过区间和高Verdet常数等优点, 近年来获得了广泛关注, 但是其传统生长方法存在成本高、周期长等缺点。本研究通过坩埚下降生长技术, 优化温场结构和生长工艺, 采用多孔坩埚成功获得多根CeF3晶体。与商用TGG(Tb3Ga5O12)晶体相比, CeF3晶体的透过率得到明显提高, 最高达到92%, 并且在近红外波段两者的Verdet常数相当。CeF3晶体的比热较高, 表明晶体拥有较强的抗热冲击能力和较高的抗激光损伤能力。本研究使用多孔坩埚技术生长CeF3晶体, 实现了规模化和低成本生产; 生长的CeF3晶体物理性能优良, 具有应用于近红外波段磁光隔离器的巨大潜力。
CeF3 磁光晶体 晶体生长 多孔坩埚技术 CeF3 magneto-optical crystal crystal growth porous crucible technology
1 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 2.中国科学院大学 材料科学与光电工程中心, 北京 100049
随着CeF3晶体在激光和磁光领域应用的持续发展, 大尺寸、高光学质量的CeF3单晶的需求日益急迫, 而CeF3熔体的高黏度和低热导率的特性给晶体生长工艺带来了较大挑战。为研究CeF3熔体低导热性引发的生长问题, 探究其生长过程中炉体结构和工艺参数对温度分布和结晶界面的影响机制, 本工作对热交换坩埚下降法(Heat Exchanger-Bridgman method, HEB)生长大尺寸(ϕ80 mm)CeF3晶体中炉体结构与晶体/熔体温度分布关系、不同生长阶段界面的变化规律以及热场结构对生长界面的作用机制开展了数值模拟研究。研究结果表明：当发热体长度与坩埚长度相适应时，更有利于构建合理的温度梯度场, 而放肩和等径生长阶段的凹界面问题则可以通过改变隔板形状和加反射屏调节坩埚壁温度分布得到有效解决。本研究成果不仅可以加深对CeF3晶体结晶习性的理解, 炉体结构和生长界面的优化思路对坩埚下降法制备其他晶体同样有实际指导意义。
CeF3晶体 热交换坩埚下降法 数值模拟 固液界面 热场优化 CeF3 crystal heat exchanger-Bridgman method numerical simulation solid-liquid interface thermal field optimization
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 1.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 中国科学院透明光功能无机材料重点实验室, 上海 201899
2 2.中国电子科技集团公司 第二十六研究所, 重庆 400060
单晶光纤即具有光纤形态的单晶材料, 是功能晶体材料一维化发展的重要体现。单晶光纤兼具单晶材料优异的光学性能和激光光纤散热效率高、光束质量高等特点, 有望解决传统玻璃材质激光光纤非线性效应强、热导率低等瓶颈问题, 实现激光峰值功率、脉冲能量等性能的突破。本工作采用自主研制的激光加热基座(Laser-heated Pedestal Growth, LHPG)单晶光纤炉制备了两组Ф0.2 mm×710 mm的Yb3+掺杂Y3Al5O12(Yb:YAG)单晶光纤, 并对其进行了表征。制备的单晶光纤长径比大于3500, 直径波动小于5%, 且表现出一定的柔韧性; X射线摇摆曲线测试结果显示Yb:YAG单晶光纤的结晶质量与所用源棒相比有所提升; EDS线扫描结果证明单晶光纤中的Yb3+沿轴向呈现均匀分布。实验结果表明: 准一维化的单晶光纤具有良好的结晶质量与光学均匀性, 有望成为一种性能优异的高功率激光增益材料。
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 中国科学院大学材料与光电研究中心, 北京 100049
3 中国电子科技集团公司第二十六研究所, 重庆 400060
单晶光纤 (SCF) 是一种将体块晶体与玻璃光纤的优势相结合的新型一维化晶体材料, 其具有优异的物理化学以及热管理性能, 在激光、闪烁、传感等方面具有巨大的应用潜力。目前单晶光纤的主要生长方法有激光加热基座 (LHPG) 法和微下拉 (μ-PD) 法, 其中 LHPG 法生长过程中不需要使用坩埚, 可制备更小直径的单晶光纤,以充分发挥光纤的形态优势。研制了国内具有自主知识产 权的 LHPG 单晶光纤炉, 并生长了 Al2O3、YAG、LuAG 等单晶光纤, 其中 YAG 单晶光纤直径可达 200 μm, 长度为 710 mm, 长径比大于 3500:1。 同时对单晶光纤的直径均匀性、结晶质量等性能进行了研究, 结果表明准一维化的单晶光纤仍具有良好的物化性能。
光纤光学 单晶光纤 激光加热基座法 光纤质量 fiber optics single crystal fiber laser heated pedestal growth fiber quality
