Cr3+:CaMgSi2O6可调谐激光晶体材料的研究

With the increasing interest in LD pumped solid state lasers, research on more efficient new near infrared tunable laser crystals for diode laser pumping becomes more important. The research found that Cr3 +: CaMgSi2O6 crystal has a broadly emission spectrum and large absorption cross section and emission cross section. The crystal also has good thermal and mechanical properties and is suitable for diode laser pumping. Cr3+:CaMgSi2O6 crystal has many advantages compared with some common tunable laser crystals such as Ti:Al2O3 and Cr3+:BeAl2O4, so the results indicate that the crystal may be regarded as a potential laser material. This project will explore the growth mechanism and defect mechanism of Cr3+:CaMgSi2O6 crystal and grow high-quality and large-sized crystal by Czochralski method. In order to determine the best concentration of Cr ions the spectrum will be measured and the theoretical calculation will be analyzed. A variety of optical, thermal and mechanical properties of the crystal will be tested and the laser experiments will be carried on. The completion of the research will find a practical tunable laser crystal.

随着激光二极管（LD）泵浦固体激光器的发展，探索新型的适合LD泵浦的近红外可调谐激光晶体成为研究热点。经过研究发现Cr3+:CaMgSi2O6晶体具有较宽的发射谱带，较大的吸收截面和发射截面，热学性能和机械性能良好且可用LD泵浦，与常见的可调谐激光晶体掺钛蓝宝石和紫翠宝石的性能相比也有不少优点，因此是可调谐激光晶体材料的潜在之选。本项目以Cr3+:CaMgSi2O6晶体为研究对象，探索该晶体的生长机理和缺陷产生机制，采用提拉法生长出大尺寸高光学质量的晶体。测定晶体的各种光学、热学和机械等性能。研究晶体的光谱性能，通过光谱分析，理论计算等确定最佳的掺杂浓度。开展LD泵浦激光实验，获得可调谐激光输出，并初步开展其应用研究。任务的完成将得到一种实用化的可调谐激光晶体。

21世纪以来激光科学的研究重点集中于可以使用激光二极管直接泵浦的小型化激光器的研制。其中可调谐和超快脉冲固体激光器在科学和工程等领域得到越来越多的应用，如高功率激光和光谱分析的光源等，因此逐渐成为科学家们的关注和研究热点。掺Cr3+离子的激光晶体具有相对较宽的吸收光谱带，峰值位于650 nm附近，非常适合使用商品化且廉价的红色激光二极管直接泵浦，同时具有非常宽的荧光光谱范围（650-1100 nm），十分有利于获得可调谐激光以及超快脉冲激光的输出。因此，探索Cr3+离子掺杂且具有宽带发射和优良物化性质的新型激光晶体成为一项重要的研究课题。 .本项目通过设定熔体中Ca/Mg的比值为0.9，并在熔体中加入少量的LiF, 成功采用提拉法生长出掺杂不同浓度Cr3+离子（0.3-2.0 at.%）的具有较高光学质量的CaMgSi2O6晶体。测试了该系列Cr3+离子掺杂晶体的常温（300K）和低温（77K）吸收谱、激发谱、荧光谱以及荧光寿命等光学性能。研究表明Cr3+离子在CaMgSi2O6晶体中取代占有八面体格位的Mg2+离子并且形成相对较弱的晶体场。而伴随着晶体中Cr3+离子浓度的升高，Cr3+:CaMgSi2O6晶体的荧光光谱展示了很不寻常的由780 nm到980 nm的红移现象。当掺Cr3+离子浓度达到2 at.%时，晶体具有两个分别以460 nm和650 nm为中心的宽吸收带，同时具有峰值中心位于986.1 nm处且覆盖范围在750-1300 nm的宽带发射光谱。其在峰值处的发射截面为14.39×10−20 cm2，是目前所有掺杂Cr3+离子激光晶体中最大的，其发射谱带的半峰宽达到212 nm，比Cr:LiSAF晶体的半峰宽拓展了52 nm，且出现了134 nm的红移。因此，具有宽带吸收和发射特征且有较大吸收和发射截面的Cr3+:CaMgSi2O6晶体具备优异的光谱性能，在可调谐和超快脉冲激光应用方面具有一定的潜力，相关的激光实验正在与德国Max-Born研究所合作中。