1 杭州医学院医学影像学院，浙江 杭州 310053
2 云南大学物理与天文学院云南省高校光电子器件工程重点实验室，云南 昆明 650500
3 中国科学院上海硅酸盐研究所人工晶体研究中心，上海 201899
采用高功率半导体激光端面泵浦技术，在均一浓度Nd∶YAG中心轴沿泵浦光通光方向可产生温度梯度，引起热透镜效应，降低激光输出功率与光束质量。本文结合静态热场数值仿真，建立Nd∶YAG在方形平顶光泵浦条件下的热源方程，研究渐变浓度Nd∶YAG在高功率激光泵浦下的温度分布。当初始泵浦功率为1000 W、泵浦脉宽时间为46 μs、重复频率为1 kHz时，均一浓度Nd∶YAG的吸收系数为5.8 cm-1，其中心轴沿通光方向的温度由185 ℃逐次下降到2、4、6、8 mm处的106、51、29、26 ℃；相应地，每经过2 mm，温度下降率分别为39.5、27.5、11.0、1.5 ℃/mm。与此相对应，本文构建出一款渐变浓度Nd∶YAG整体式结构，每段厚度均为1 mm，总长度为4 mm。将4段Nd∶YAG的吸收系数依次调控为1.5、2.1、3.3、9.7 cm-1，则沿泵浦光通光方向的中心轴温度基本维持在86.5 ℃，在渐变浓度Nd∶YAG中实现沿泵浦光传输方向的温度均匀分布。
均一浓度Nd∶YAG 渐变浓度Nd∶YAG 数值仿真 温度分布
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 同济大学物理科学与工程学院，上海 200092
2 江苏师范大学物理与电子工程学院,徐州 221116
3 中国科学院上海硅酸盐研究所,上海 201899
4 连城凯科斯科技有限公司，无锡 214000
采用多孔坩埚温度梯度法生长了0.6%Pr∶CaxSr1-xF2 (x=0， 0.3, 0.5, 0.7, 1.0)和0.6%Pr,5%R∶Ca0.5Sr0.5F2(R=Y, Lu, Gd)系列碱土氟化物激光晶体，对其晶体结构、吸收和可见波段的荧光光谱及荧光衰减寿命进行了系统研究。通过吸收截面、发射截面、荧光寿命、荧光半峰全宽等光谱参数分析发现，0.6%Pr,5%Y∶Ca0.5Sr0.5F2混晶与其他掺杂混晶相比，具有最佳的光谱效果，443 nm处吸收截面和640 nm处红光发射截面分别为1.63×10-20和3.39×10-20 cm2，相应荧光半峰全宽和荧光寿命分别为4.50 nm和42.8 μs,光谱参数与0.6%Pr∶CaxSr1-xF2 (x=0, 0.3, 0.5, 0.7, 1.0)混晶相比有显著的提升。结果表明，0.6%Pr,5%Y∶Ca0.5Sr0.5F2晶体具有极大的潜力作为新型Pr3+掺杂宽带激光材料的增益介质。
激光晶体 碱土氟化物 Pr3+掺杂 可见激光 发光性能 laser crystal alkaline earth fluoride Pr3+ doping visible laser luminescence property
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 1.中国科学院 深圳先进技术研究院, 多尺度晶体材料研究中心, 深圳 518055
2 2.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 上海 201899
3 3.同济大学 物理科学与工程学院, 上海 200092
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 中国科学院大学材料科学与光电工程中心, 北京 100049
3 上海应用技术大学材料科学与工程学院, 上海 201418
正交钙钛矿结构RFeO3系列稀土正铁氧体材料是一类在近红外波段透明的铁磁材料, 关于RFeO3的超快自旋重取向及其相干控制的研究近年来成为相关领域的研究热点。由于固态材料的磁化振子和电子自旋共振能谱等基本性质的 “元激发” 能量均在太赫兹能量范围内, 得益于太赫兹技术的发展, 近年来利用太赫兹超快光学调控RFeO3晶体中不同离子间的交换相互作用、磁各向异性自旋-声子耦合等也取得了一系列突破, 对磁学的基础研究具有重要意义。结合笔者近几年的研究进展, 总结了国内外RFeO3晶体太赫兹光学调控研究情况, 并对该类晶体的超快光磁研究进行了展望。
激光物理 太赫兹 光学调控 稀土正铁氧体 laser physics terahertz optical modulation rare-earth ferrite
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
