一、激光晶体 

　　1. 研究方向简介： 

　　激光晶体是固体激光器的核心关键材料，在激光精密加工、激光武器、光电对抗、环境监测、激光医疗和超强超短激光大科学装置等军民领域有着重要和广泛的应用。激光晶体由基质晶体和激活离子构成，分别决定着其物化和光学特性，同时二者又相互影响。基质晶体主要是单一氧化物、氟化物、复合氧化物、复合氟化物，II-IV族化合物等，激活离子主要为稀土离子和过渡族离子等。相对于激光玻璃，激光晶体具有热导率高、光学各向异性等特点。目前激光晶体主要用于高峰值功率、大脉冲能量、高重复频率固体激光装置。面向国家重大需求，晶体中心致力于系列大尺寸、高光学质量激光晶体材料的研究，重点解决晶体生长装备、生长技术、缺陷抑制、元件加工等过程重点关键科学技术问题，为不同应用场景下的固体激光装置提供核心增益材料支撑。 

　　2. 主要研究内容: 

　　（1）大尺寸、高光学均匀性、低散射损耗激光晶体生长 

　　（2）晶体缺陷本质、起源、演变规律及抑制技术 

　　（3）高精度晶体生长设备 

　　（4）晶体光学、热学、力学、激光性能评估 

　　3. 主要研究成果: 

　　（1）钛宝石晶体 

　　超强超短激光可以提供前所未有的极端物理条件与全新实验手段，而钛宝石晶体是实现太瓦至拍瓦级超强超短激光最成熟的激光增益介质，特别地，大尺寸（≥Φ220mm）钛宝石晶体是10PW级超强超短激光装置的核心关键材料之一。已报道的生长钛宝石晶体的主要方法有提拉法、温度梯度法、坩埚下降法、泡生法和热交换法等，其中，热交换法是目前能够获得大尺寸（≥Φ220mm）高质量钛宝石晶体的唯一方法。国外采用热交换法生长钛宝石晶体的单位主要是美国GTAT公司，于2010年报道了Φ176.5mm的钛宝石元件，此后大口径钛宝石一直由该公司垄断。 

　　2014 年，晶体中心研制成功国内首台热交换法生长大尺寸钛宝石晶体设备。 突破大尺寸钛宝石晶体生长关键技术，于 2017 年研发成功直径 235 mm 全球最大尺寸的钛宝石激光晶体， 打破了国外垄断，并成功应用于上海超强超短激光装置上，获得了 10.3PW 的激光放大输出，处于国际领先水平。 

　　 

　　基于第一性原理对钛宝石残余红外吸收进行了系统的理论研究。首次从理论上给出了与实验吸收光谱吻合的残余红外吸收谱，提出了由线接触型 Ti3+-Ti3+离子对和面接触型 Ti3+-Ti4+离子对共同主导残余红外吸收的理论模型，成功地解释了残余红外吸收的退火特性、掺杂浓度依赖特性以及偏振特性。 

　 

　　钛宝石缺陷模型及部分计算结果 

　　（2）稀土离子掺杂氟化物晶体 

　　与氧化物相比，氟化物晶体键能较弱，质地较软，具有熔点低、透光波段宽、声子能量低和负热光系数等特点。氟化物晶体禁带宽度大，掺入激活离子后可产生紫外到中红外波段的激光。绝大部分氟化物晶体的最大声子能量都低于氧化物，因晶体最大声子能量越小，无辐射跃迁几率越小，所以相同的激活离子在氟化物中荧光寿命长于氧化物，而长的荧光寿命有利于储能。另外氟化物晶体一般具有负的热光系数，因此激光器在高功率工作时，能够有效补偿一部分热透镜效应，有助于提高谐振腔稳定性，改善光束质量。 

　　自2007年以来，晶体中心采用提拉法先后生长了不同浓度的稀土离子掺杂LiYF₄、LiLuF₄等氟化物激光晶体。在国际上首次通过退激活离子Pr³⁺的掺入实现增强的Ho³⁺:2.95 μm光发射，并且首次实现2.95 μm连续及调Q激光输出，最高输出功率达到1.15 W，实现193.4 ns的脉冲激光输出。2009年，基于浓度为2 at.%的板条状Tm:LLF晶体实现了当时该晶体最优水平的10.4 W的1.922 nm连续激光输出，斜效率为40.4%。2011年，基于板条状Tm:YLF晶体实现了输出功率为54.4 W的1910 nm连续激光，为当时该晶体已有报道的最高输出功率。2020年，团队生长了浓度为4 at.%的Tm:YLF晶体与厦门大学合作，通过腔镜镀膜抑制1.9 μm辐射，同时实现了2053 nm和2297 nm双波长激光，斜效率为9.7 %。 

　　采用坩埚下降法先后研究了稀土离子掺杂低声子能量PbF₂、LaF₃、CeF₃等氟化物晶体的提拉法、温度梯度法、坩埚下降法等晶体生长方法，优化生长工艺技术，研发出多种不同掺杂浓度的Tm:PbF₂、Tm:LaF₃、Ho:PbF₂、Ho:LaF₃、Ho:CeF₃以及Tm,Ho:LaF₃激光晶体，对各材料的光谱参数进行了细致分析。2014年，报道了Tm:PbF₂晶体的首次出光报道，输出波长为1900 nm，最大输出功率为1.17 W，斜效率为26 %。2019年，报道了Tm,Ho:LaF₃晶体的首次出光报道，输出波长为2047 nm，最大输出功率为574 mW，斜效率为18.5 %。 

　　随着GaN基半导体制备工艺的不断发展，高亮度、大功率蓝光LD已获得实用，极大地推动了稀土离子掺杂增益介质实现可见激光的发展。研究较多的是Pr³⁺和Dy³⁺，因其吸收峰处在蓝光波段，可用蓝光LD泵浦，且Pr³⁺发射波段覆盖蓝光、绿光、橙光和红光。晶体中心进行了Pr:YLF和Pr:LaF₃晶体生长、光谱以及激光性能研究，其中Pr:LaF₃晶体存在一个对应于太阳光谱暗线486.1 nm的发射峰，有望直接输出486.1 nm激光，应用于机载海洋激光雷达和水下光通信，目前团队正积极开展激光实验。 

　　晶体中心研制的稀土离子掺杂氟化物系列晶体：(a) Nd:CeF₃，(b) Tm:LaF₃，(c) Yb,Na:PbF₂，(d) Ho:LaF₃，(e) Tm,Ho:LaF₃，(f) Ho:PbF₂，(g) Ho:LLF，(h) Tm:LLF，(i) Ho,Pr:LLF，(j) Yb:LLF，(k) Pr: YLF，(l) Ho:BYF 

　　（3）掺过渡金属离子的Ⅱ-Ⅵ族中红外激光晶体 

　　3-5μm 是大气窗口之一，该波段大气的吸收弱，激光的穿透能力强，因此 3-5μm中红外激光应用广泛，包括民用与军用。其中民用包括空气污染监测、CO/NO_x/HF/CH₄等气体检测、光电测量与自由空间通信等，军用包括光电对抗、激光干扰、成像跟踪定位与反恐等。 

　　晶体中心在国内率先于2006年开展了掺过渡金属离子的Ⅱ-Ⅵ族中红外激光材料（Cr:ZnSe，Fe:ZnSe等）激光性能研究工作。2007年，在国内率先实现了Cr:ZnSe的瓦级中红外激光输出。2015到2018年间与中国科学院电子所合作，采用HF激光器泵浦Fe:ZnSe晶体，先后在室温下获得15 mJ、65 mJ和78.8 mJ的4.3 μm激光输出，相关激光实验结果已在中国激光、红外与激光工程、Chinese Physics Letters等期刊上发表。 

　　 

　　晶体中心研制的过渡金属 (Cr,Fe,Ni,Co) 掺杂的ZnSe晶体 

　　二、非线性光学晶体 

　　1. 研究方向简介： 

　　激光惯性约束聚变装置是以高功率激光作为驱动器的核聚变装置。基于军事及未来可控清洁能源方面重大应用，该装置是国际核大国战略必争要地。DKDP晶体是该装置的核心元件，仅仅有美国、俄罗斯掌握DKDP晶体制备核心技术，并严格限制出口。国内暂未形成批量化生产。传统慢长需要2-3年时间完成一轮次晶体生长，且切片效率低下。目前，山东大学和中国科学院福建物构所主要采用慢速生长技术规避点籽晶快速生长存在的交界面问题，不可避免出现了产能低、效率慢、投入大等问题。 

　　基于DKDP晶体连续过滤快速生长技术，研发高切割效率、高均匀性、高抗激光损伤的DKDP元件，满足高功率激光驱动装置对大口径非线性晶体的高品质需求，为高功率激光系统的高通量激光输出提供优质的大口径DKDP晶体元件。 

　　  

　　2. 主要研究内容: 

　　（1）大尺寸长籽晶DKDP晶体生长 

　　（2）流场模拟设计研究 

　　（3）后退火处理措施对DKDP晶体的性能研究 

　　（4）新型二维平动运动下的DKDP晶体生长性能研究 

　　3. 主要研究成果: 

　　（1）长籽晶快速生长技术研究 

　　针对点籽晶快速生长存在的锥柱交界面问题，率先提出了DKDP晶体长籽晶生长技术，长籽晶生长技术存在一系列优点：充分利用Ⅱ类晶体切割方向特点，提高晶体坯片的切片效率；可以利用长籽晶对应的柱面区域进行元件切割，彻底消除了点籽晶单锥及双锥头快速生长固有的锥柱交界面，解决晶体内部锥柱交界面诱导的局域位相畸变及电场增强效应；进一步改善了晶体生长过程中流场环境，有利于获得高质量晶体；充分利用了快速生长技术特点，430mm口径晶体的制备周期为3-4个月，显著优于慢速生长2-3年的制备周期。2019年获得世界上首块大尺寸长籽晶快速生长的DKDP晶体后，DKDP晶体生长尺寸逐步从500mm口径，增大到2021年超过600mm口径；2022年度实现605×625×810mm³尺寸DKDP晶体成功生长。 

　

　　连续过滤快速长籽晶生长技术制备的大尺寸DKDP晶体 

　　（2）流场模拟仿真研究 

　　在DKDP晶体生长过程中，浓度场的分布尤其是晶体生长边界层的浓度场分布，是影响DKDP晶体生长控制的关键因素，直接关系着晶体生长速度与晶体质量：边界层的微观浓度场是DKDP晶体生长的驱动力，快速生长DKDP晶体速度可以达到100nm/s，调控微观浓度场可以控制DKDP晶体的本征缺陷；微观浓度场分布不稳定会导致溶液中微观颗粒吸附并包裹在DKDP晶体的生长界面上，导致生长缺陷的产生，造成晶体损伤的不均匀性。浓度场可以通过流场模拟对搅拌桨设计、转动速度等搅拌参数进行调节，获得不同的搅拌效果。针对晶体生长过程中的流场分布，对载晶架的类型，晶体生长的尺寸大小，生长旋转周期等对晶体表面过饱和度梯度以及生长槽生长流场分布的影响进行了研究，并和生长实验进行了可靠的验证。 

　　 

　　DKDP晶体生长中的流场模拟分析图 

　　（3）后退火技术对DKDP晶体性能影响研究 

　　进一步的后处理能有效的提高晶体光学性能，针对KDP类晶体的后处理技术大致分为两种，一种是激光亚阈值退火技术，另一种是热退火技术。与激光亚阈值退火相比，热退火具有成本低、效果好的优势，并且热退火可以作为激光亚阈值退火的前置技术形成联合退火最大程度上改善晶体性能。目前关于KDP类晶体热退火的相关研究仍不完善，国内外各课题组的研究结论不一致且具有较大差异，具体开展对退火温度、保温时长、退火次数以及升降温速率开展相关研究，进一步分析相应的后退火技术对晶体结构、吸收及缺陷的影响，研究后退火技术对晶体的抗激光损伤阈值和透过率等应用性能参数的量化分析。 

　　 

　　热退火对DKDP晶体的激光损伤阈值研究 

　　（4）新型二维平动下的DKDP晶体生长研究 

　　KDP类晶体生长方法目前主要采用转晶法进行生长，虽然该方法的生长装置相对较为成熟稳定，但仍然存在生长流场分布不均匀，梯度过大，存在流动死区等一系列难以解决的流场问题。为了提高晶体生长质量，针对晶体生长流场改善问题，进行二维平动下的新型生长技术研究。二维平动使晶体生长过程种每个面都经历迎流面、侧流面和背流面，而周期性的平移运动可以使晶体表面保持均匀的高过饱和状态，保证晶体表面形貌的稳定性，有利于晶体的高质量生长。开展关于晶体二维平动生长的平移速度、距离以及籽晶朝向等生长研究，为高质量晶体生长探索新的方法。 

 

二维平动模式下的晶体表面流场图 

　　三、其他光功能晶体研究 

　　面向晶体和光功能陶瓷材料世界科技前沿，面向先进制造、智能显示等对新波段、新特性晶体与陶瓷的迫切需求，解决材料结构设计、定向合成及可控制备关键技术问题，获得具有自主知识产权的系列高性能新型晶体与陶瓷材料，形成晶体与陶瓷材料专利池，保障我所晶体材料可持续发展。主要包括： 

　　1)围绕“自主可控光学核心材料和激光高端装备”，面向高能重频激光系统、中红外光电DK、新一代EUV-LPP光源等需求，开展大尺寸高质量掺铥氟化物，以及高热导掺钕氧化物晶体研究，满足激光系统对特定光学性能激光晶体的要求。紧凑型LD泵浦高平均功率、大脉冲能量超强超短激光装置将应用于激光尾波场加速、新一代EUV光刻等领域。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室通过对大量激光晶体的分析筛选，提出了基于Tm：LiYF₄多通放大的“Big Aperture Thulium”方案，并且已获得3.88J，20ns脉冲激光，最大提取能量38.1 J，方案明确需求4英寸大尺寸晶体元件高重频、大能量固体激光器要求晶体材料不但能够生长大尺寸、高光学质量，而且要具有高热导率、长荧光寿命以及合适的发射截面。晶体中心针对此需求，正在积极发展大尺寸Tm:LiYF₄激光晶体的研究，以期通过关键科学与技术问题的解决，获得实用化2μm波段高重频、大能量激光晶体。 

　　2)围绕“空天激光信息网络技术与系统”，开展面向高功率固体激光器应用需求的超大口径Yb:YAG激光晶体，突破高质量单晶生长与超精密加工关键技术。Yb:YAG在室温条件下能级结构为准三能级结构（无上能级转换），具有量子亏损低（仅为9%）、吸收光谱和发射光谱宽等特点，因此在军事武器、激光加工以及生物医疗等领域所需高功率激光系统中具有十分重要的应用。未来应用明确需求十英寸以上Yb:YAG单晶，这对单晶生长提出了巨大挑战。晶体中心创新性突破传统提拉法生长瓶颈，在国际上首次采用导模法进行Yb:YAG单晶生长，并解决了超大口径Yb:YAG导模法生长难题，生长出了尺寸为188mm×188mm×5mm的Yb:YAG晶体板材。生长出的晶体小样已通过用户单位验证，目前正在开展大样品的验证工作。 

　　3)围绕“空天激光信息网络技术与系统”，面向蓝绿激光雷达、水下光通信系统需求，开展掺镨氟化物晶体研究，并完成激光验证。目前实现可见激光输出的方式主要包括：（1）LD直接发射。其能耗低，但输出波长不稳定且光束质量较差；（2）非线性频率转换。其光路设计较为复杂，能耗较高。（3）上转换过程。存在上转换激光材料稳定性和机械强度差的缺点。（4）LD泵浦掺激活离子的增益介质。有利于小型化设计，结构简单。随着GaN基半导体制备工艺的不断发展，高亮度、大功率蓝光LD已获得实用，极大地推动了稀土离子掺杂增益介质实现可见激光的发展。研究较多的是Pr³⁺和Dy³⁺，因其吸收峰处在蓝光波段，可用蓝光LD泵浦，且Pr³⁺发射波段覆盖蓝光、绿光、橙光和红光。晶体中心进行了Pr:YLF和Pr:LaF₃晶体生长、光谱以及激光性能研究，其中Pr:LaF₃晶体存在一个对应于太阳光谱暗线486.1 nm的发射峰，有望直接输出486.1 nm激光，应用于机载海洋激光雷达和水下光通信，目前正积极开展激光实验。 

　　4)围绕“空天激光信息网络技术与系统”，面向新型高功率激光系统技术，进行高功率激光与光学陶瓷研究。开展高功率密度激光激发的波长转换材料研究，利用Al₂O₃-YAG复合晶体结构提高光转换效率。同时开展高功率激光调制材料TAG透明陶瓷研究。利用陶瓷在结构和性能上的各向同性抑制高功率激光引起的热畸变和热退偏等问题。拓展多晶光学材料在高功率激光的应用场景。晶体中心自主研发复合结构荧光陶瓷2015年在国际上首次发表，于2017年9月获发明专利授权。目前，汽车大灯用陶瓷荧光片是国内做得最好的，实现了批量制备打靶集中度和一致性控制技术的突破。长期实际应用证明，Al₂O₃-YAG复合结构荧光陶瓷适合激光照明和激光显示，在海洋或野外远程照明，深海光纤白光照明等领域具有广泛是应用前景。 

　　5)面向固体核光钟对掺钍宽禁带晶体材料以及窄线宽深紫外激光的应用需求，开展掺钍氟化物晶体和150nm波段非线性光学晶体器件研究。筛选合适的宿主晶体材料，突破关键生长技术，同时实现高浓度钍掺杂和高透过率。在深紫外非线性光学晶体前期研究基础上，开展周期微结构的可控制备，实现从300nm到150nm波段窄线宽可调谐倍频激光输出，满足核光钟应用需求。 

　　6)面向自主可控的光学核心材料和激光高端装备方向，开展高功率光纤导热散热元件设计和制备研究。基于蓝宝石的键合技术和复杂结构的陶瓷成型技术，利用晶体材料优异的物光性能，设计开发复杂结构的导光散热组件。尤其是为解决高功率光纤泵浦合束器合光纤激光器的散热问题提供解决方案。 

　　7)面向高功率拉曼激光应用和高功率激光器热管理问题，开展MPCVD金刚石单晶、激光晶体上直接生长多晶金刚石的研究。支撑高功率金刚石拉曼激光器运行，完成多晶金刚石在高功率固体激光器中热管理中的器件验证。 

　　8)面向近红外波段电光调制、频率准换及太赫兹光源技术及应用需求，开展新型有机非线性晶体研究。针对有机非线性晶体尺寸小及缺陷多等难题，整合溶液法生长平台技术优势，优化新型有机非线性晶体的生长技术和工艺，需求 “跨界突破”，开展大尺寸及高质量的“准新一代” 非线性晶体研究。