由结构调控镁橄榄石衍生的Cr4+:ABSiO4新型可调谐激光晶体的研究

Cr4+:Mg2SiO4 is an important commercial laser crystal which could be used to get tunable laser oscillation at room temperature. Tunable operation of Cr:forsterite laser has been obtained over 1.13µm ～1.37µm, and the Cr:forsterite based solid state lasers have been found widely applications in the military, medical treatment, communication technology and scientific research. However, the short fluorescence lifetime and the coexistence of chromium ions with valence 3+ and 4+ in this crystal obstruct the application of the crystal. Based on the crystal field theory, the spectroscopic properties of the active ions that doped in matrix crystals are influenced by the local crystal field circumstance. When replacing the Mg2+ ion by other cation ions, the new compounds(Cr4+:ABSiO4) with new structure and moderate crystal field would be derived.Then the new tunable crystals with broadband emission, long fluorescence lifetime and only Cr4+ doped will be got. Thus, the proposed project focus on the study for a series of new compounds Cr4+:ABSiO4, including the synthesis, crystal structure, growth of crystal with large dimension, thermal, optical and laser properties. Then 8-10 papers and 3-4 patents will be achieved, and the experience and theory of research new tunable laser crystal will be summarized.

Cr4+：Mg2SiO4是一种重要的商品化可室温调谐的激光晶体，已实现了1.13µm ～1.37µm的可调谐激光输出。这个波段在医学、激光雷达和通信技术等方面有重要的应用。但是由于该晶体短的荧光寿命（3.2µs）和Cr3+、Cr4+离子的共存问题限制了它的应用。本申请以Mg2SiO4为基质，利用晶体场理论指导，采用组分调控和元素取代的设计合成策略，用半径及电荷和Mg2+相差较大的离子取代其中的Mg2+离子，通过结构设计和优化衍生出具有新型结构和合适晶体场强度的化合物（Cr4+:ABSiO4），从而得到既可能继承材料原有的发射谱带特性、又能提高材料的荧光寿命、单纯只有Cr4+离子掺杂的新型可调谐晶体。研究材料的合成、结构、生长、热学、光谱和激光性能，获得W级可调谐激光输出，发表8-10篇SCI论文，申请3-4件专利，为研究新型可调谐激光晶体提供有益经验和理论基础。

1.13μm ～1.37μm的波段在医学、激光雷达和通信技术等方面有重要的应用，这个波段主要是Cr4+离子的发射波段。本项目在晶体场理论的指导下，通过详细和深入地研究化合物的结构、生长工艺、光谱和物化性能等最终筛选出以下四种化合物，Cr:Ca3NbGa3Si2O14、Cr:CaMgSi2O6、Cr:Sr2GdAl2O4 和Cr:Ca3(VO4)2。 这些化合物容易生长得到大尺寸的单晶，在室温下具有宽的可调谐谱带，长荧光寿命，有望实现可调谐激光输出，可以成为较有前景的可调谐激光晶体。本项目的研究发现由于Cr4+ 离子辐射量子效率很低，很多材料在室温下都没有发射峰，要在低温条件或更苛刻的条件下才能实现，对实现激光输出是及其不利的。Cr3+ 离子在合适的晶体场和多格位占据的情况下，可以在室温下得到类似Cr4+ 离子的发射波段。我们在Cr:CaMgSi2O6 这个体系中就得到了验证，随着Cr3+ 离子浓度的增大发射谱带中心红移了200多纳米，浓度为1.2at% 的晶体半峰宽达到了近400nm；发现Cr3+ 离子除了取代Mg2+，Zn2+，Sc3+，Al3+，Ga3+ 这些传统离子的八面体格位外，它还可以占据Nb5+，V5+ 的八面体格位，或者可能取代Mg2+ 的十面体格位和V5+ 的四面体格位；对类钙钛矿结构的Cr:Sr2GdAl2O4 通过离子掺杂进行结构调控，改变八面体格位的畸变程度，从而达到使发射光谱强度增强或展宽的效果。这些都为研究新型可调谐激光晶体提供有益经验、理论基础和新的方向。共发表发表9篇SCI论文，授权2件材料发明专利。