5-24、基于高通量概念的几种激光晶体的研究进展

张怀金¹，陈雨金²，苏良碧³

1.山东大学晶体材料研究所，济南，山东，2.中国科学院福州物构所， 福州，福建

3.中国科学院上海硅酸盐研究所，上海

摘要：晶体材料具有重要的研究意义，是现代科学技术的基础材料。对于人工晶体特别是激光晶体而言，可用的理论指导较少，大大限制了激光晶体的研究效率。探索有效的方法，加速激光晶体的研究速度是重要的研究方向。材料基因组结构设计是探索新材料的有效手段，对于多种材料的研究具有重要的指导作用，也取得了一些成就。但是对激光晶体的材料基因组的制备研究报道不多。

本研究基于材料基因组的概念对几种激光晶体进行了研究，（1）合成了1at.% Pr:Lu_XSc_2-xO₃（0≤x≤2）系列原料共11种，通过优化晶体生长工艺，利用浮区法成功生长出高质量Pr：LuScO₃激光晶体(Lu和Sc比例接近1:1)，尺寸达到Φ 6 mm×55 mm；（2）基于高通量合成的理念批量制备不同Er:Yb浓度比例的样品，采用光谱测量和理论模型计算相结合的方法筛选合适Er:Yb浓度比例的晶体体系，找到Er:Yb浓度比例范围：Yb：Er >10:1，开发出了一种新的助熔剂体系NaF-AlF₃-B₂O₃用于生长Er:Yb:YAB单晶。晶体生长结果表明，采用该助熔剂所生长的YAB晶体光学质量得到了大幅度的改善。采用该方法生长获得的(1.5at.%)Er:(15at.%)Yb:YAB晶体尺寸已大于30×30×15mm³。（3）改进坩埚下降方法，设计出一次可以生长多个晶体的设备，一个炉次成功生长出二十个个不同浓度的掺Er：CaF₂晶体。

对生长晶体的进行了光谱和激光性能测试，（1）测量了Pr：LuScO₃激光晶体的吸收光谱，用蓝光激光二极管泵浦晶体，实现激光输出的可能性进行了研究。（2）在一块3´3´1.5 mm³的Er(1.4at.%):Yb(13at.%):YAB晶体和两块3´3´1.2 mm³的蓝宝石晶体的接触面上分别镀上SiO₂膜，然后通过热扩散方法键合在一起。采用976 nmLD端面泵浦sapphire/Er:Yb:YAB/sapphire键合晶体，1.55 mm波段连续激光最高输出功率达到1.75 W，斜率效率为36%。（3）Er:SrF₂ 晶体中实现了低阈值 0.058 W，高斜效率 30.7%，高平均输出功率 0.614 W 的 2.8 μm 连续激光。通过调整激光谐振腔，该晶体的最高平均输出功率已突破 1 W，达到1.05 W。

研究结果表明，通过材料基因组结构设计可以优化激光晶体的研制过程，是有效筛选和优化激光晶体的有效方法，将在激光晶体研究中发挥重要作用。

关键词: 激光晶体；光伏区法晶体生长；坩埚下降法晶体生长；高通量晶体生长

通讯作者：张怀金, email: huaijinzhang@sdu.edu.cn

DOI:10.12110/secondfmge.20181014.524