掺镱混晶的光谱增益带宽调控与激光性能研究

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0172

人工晶体学报 ›› 2025, Vol. 54 ›› Issue (10): 1849-1857.DOI: 10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0172

掺镱混晶的光谱增益带宽调控与激光性能研究

林可¹, 张雅馨¹(), 吴闻杰¹, 李琳¹, 林长浪², 曾黄军², 聂海宇², 李志强², 张戈², 李真¹^,³^,⁴, 张沛雄¹^,³^,⁴(), 陈玮冬², 陈振强¹^,³^,⁴

1.广东省晶体材料和晶体激光技术与应用工程技术研究中心，广州 510632
2.中国科学院福建物质结构研究所功能晶体与器件全国重点实验室，福州 350002
3.广东省光纤传感与通信技术重点实验室，广州 510630
4.暨南大学物理与光电工程学院，广州 510632

收稿日期:2025-08-01 出版日期:2025-10-20 发布日期:2025-11-11
通信作者: 张沛雄，博士，教授。E-mail：pxzhang@jnu.edu.cn
作者简介:张雅馨（2001—），女，湖北省人，硕士研究生。E-mail：zhangyaxin0106@163.com
张沛雄，博士，暨南大学理工学院教授。《人工晶体学报》青年编委。广东省晶体材料和晶体激光技术与应用工程研究中心副主任。主要研究方向为体块光电功能晶体材料及激光技术，在新型稀土中红外氟化物激光晶体的生长和发光调控、超快激光晶体光谱展宽调控、稀土掺杂铌酸锂/钽酸锂多功能晶体及其器件、磁光晶体研制、新型全固态激光技术等方面开展原创性研究工作。目前已发表100多篇学术论文，获授权发明专利10多项。
第一联系人：林可（2001—），男，广东省人，硕士研究生。E-mail：2235243302@qq.com
（林可、张雅馨并列第一作者）
基金资助:
国家自然科学基金(62375106);国家自然科学基金(51972149);国家自然科学基金(51872307);国家自然科学基金(51702124);广州市科技计划(2024A03J0240)

Spectroscopic Gain Bandwidth Modulation and Laser Performance of Ytterbium-Doped Mixed Crystals

LIN Ke¹, ZHANG Yaxin¹(), WU Wenjie¹, LI Lin¹, LIN Changlang², ZENG Huangjun², NIE Haiyu², LI Zhiqiang², ZHANG Ge², LI Zhen¹^,³^,⁴, ZHANG Peixiong¹^,³^,⁴(), CHEN Weidong², CHEN Zhenqiang¹^,³^,⁴

1. Guangdong Engineering Research Center for Crystal Materials and Crystal Laser Technology and Application，Guangzhou 510632，China
2. State Key Laboratory of Functional Crystals and Devices，Fujian Institute of Research on the Structure of Matter，Chinese Academy of Sciences，Fuzhou 350002，China
3. Guangdong Provincial Key Laboratory of Optical Fiber Sensing and Communications，Guangzhou 510630，China
4. School of Physics and Optoelectronic Engineering，Jinan University，Guangzhou 510632，China

Received:2025-08-01 Online:2025-10-20 Published:2025-11-11

摘要/Abstract

摘要： 超短脉冲激光因在精密加工、生物医学等领域广泛的应用而备受关注，其发展高度依赖于具有宽带增益光谱的激光增益介质。相比激光玻璃，掺稀土离子的无序激光晶体兼具宽带增益光谱与优异的稳定性，是产生超短脉冲激光的理想增益介质。然而，混晶组分、晶体结构及其对发射带宽及中心配体对称性间的构效关系仍缺乏系统认知。本文对多个掺镱混晶体系，包括Yb∶Y₂（Ca，Mg）₃（SiO₄）₃、Yb∶Ca（Y，Gd）AlO₄（Yb∶CALYGO）及Yb∶（Gd，Y）AlO₃（Yb∶GYAP），开展了系统分析，揭示了混晶组分比例、结构无序度与Yb³⁺增益带宽之间的内在规律。在此理论指导下，成功生长了Yb∶CALYGO和Yb∶GYAP单晶，并分别实现了25和23 fs的超短脉冲激光输出。本研究为超快无序激光晶体的理性设计与其在超快激光应用中的性能优化提供了关键理论支撑和有效实现途径。

关键词: 超短脉冲激光; 第一性原理计算; 结构发光关系; Yb³⁺掺杂; 无序激光晶体

Abstract: Ultrashort lasers have attracted considerable attention due to their extensive applications in precision micromachining and biomedicine， and their development strongly relies on laser gain media with broad gain bandwidths. Compared with laser glass， rare-earth-ion-doped disordered crystals combine broad emission bandwidths with excellent thermal and mechanical stability， making them ideal candidates for generating ultrafast laser pulses. However， a systematic understanding of the mixed composition， crystal structure， and their structure-property relationships regarding emission bandwidth and central ligand symmetry remains lacking. In this work， several mixed crystal systems were systematically investigated， including Yb∶Y₂（Ca，Mg）₃（SiO₄）₃， Yb∶Ca（Y，Gd）AlO₄（Yb∶CALYGO） and Yb∶（Gd，Y）AlO₃（Yb∶GYAP）， and reveal the intrinsic correlations between the mixed composition， structural disorder， and the spectral gain bandwidth of Yb³⁺. Guided by these theories， Yb∶CALYGO and Yb∶GYAP single crystals were successfully grown， enabling the generation of ultrafast pulses with durations of 25 and 23 fs， respectively. This work provides a theoretical foundation and an effective approach for the rational design and performance optimization of disordered crystals for ultrafast laser applications.

Key words: ultrashort pulse laser; first-principles calculation; structural luminescence relationship; Yb³⁺ doping; disordered laser crystal

中图分类号:

O734

林可, 张雅馨, 吴闻杰, 李琳, 林长浪, 曾黄军, 聂海宇, 李志强, 张戈, 李真, 张沛雄, 陈玮冬, 陈振强. 掺镱混晶的光谱增益带宽调控与激光性能研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(10): 1849-1857.

LIN Ke, ZHANG Yaxin, WU Wenjie, LI Lin, LIN Changlang, ZENG Huangjun, NIE Haiyu, LI Zhiqiang, ZHANG Ge, LI Zhen, ZHANG Peixiong, CHEN Weidong, CHEN Zhenqiang. Spectroscopic Gain Bandwidth Modulation and Laser Performance of Ytterbium-Doped Mixed Crystals[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2025, 54(10): 1849-1857.

图/表 9

图1 SESAM锁模激光实验装置［27］

Fig.1 Schematic of SESAM mode-locked laser experimental setup［27］

图2 克尔透镜锁模激光实验装置［28］

Fig.2 Experimental setup of KLM laser［28］

图3 不同系列晶体发射FWHM与畸变指数D之间的关系

Fig.3 Relationship between the emission FWHM and the distortion index D for different crystal series

图4 室温下Yb3+在CALYGO晶体中的偏振吸收和发射特性：（a）吸收截面（σabs）；（b）荧光发射光谱；（c）受激发射截面（σSE）。插图为Yb∶CALYGO晶体照片［27］

Fig.4 RT polarized absorption and emission properties of Yb3+ in CALYGO crystals：（a） absorption cross-section （σabs）；（b） luminescence spectra；（c） stimulated-emission cross-sections （σSE）. Inset is a photograph of Yb∶CALYGO crystal ［27］

图5 Yb∶CALYGO晶体SESAM锁模激光器：（a）激光光谱（TOC=2.5%）；（b）自相关波形（TOC=2.5%）；（c）激光光谱（TOC=1.6%）；（d）自相关波形（TOC=1.6%）［27］

Fig.5 SESAM mode-locked Yb∶CALYGO laser：（a） laser spectrum （TOC=2.5%）；（b） autocorrelation trace （TOC=2.5%）；（c） laser spectrum （TOC=1.6%）；（d） autocorrelation trace （TOC=1.6%）［27］

图6 Yb∶CALYGO晶体KLM激光器：（a）激光光谱（TOC=1.6%）；（b）自相关波形（TOC=1.6%）；（c）激光光谱（TOC=4%）；（d）自相关波形（TOC=4%）［28］

Fig.6 KLM Yb∶CALYGO laser：（a） laser spectrum （TOC=1.6%）；（b） autocorrelation trace （TOC=1.6%）；（c） laser spectrum （TOC=4%）；（d） autocorrelation trace （TOC=4%）［28］

图7 （a）Yb∶GYAP晶体照片；SESAM锁模激光器：（b）激光光谱（TOC=1.6%）；（c）自相关波形（TOC=1.6%）［30］

Fig.7 （a） A photograph of Yb∶GYAP crystal； SESAM mode-locked laser：（b） laser spectrum （TOC=1.6%）；（c） autocorrelation trace （TOC=1.6%）［30］

图8 Yb∶GYAP KLM激光器：（a）激光光谱（TOC=2.5%）；（b）自相关波形（TOC=2.5%）；（c）激光光谱（TOC=1.6%）；（d）自相关波形（TOC=1.6%）。（b）和（d）中红色曲线为强度自相关分布［31］

Fig.8 KLM Yb∶GYAP laser：（a） laser spectrum （TOC=2.5%）；（b） autocorrelation trace （TOC=2.5%）；（c） laser spectrum （TOC=1.6%）；（d） autocorrelation trace （TOC=1.6%）. The red curve in （b） and （d） corresponds to the intensity autocorrelation profile［31］

表1 基于Yb∶CALYGO和Yb∶GYAP晶体不同锁模方式的激光性能

Table 1 Different mode-locking performance in Yb∶CALYGO and Yb∶GYAP crystals

Gain medium	Pump source	Mode-locking method	Output wavelength/nm	Repetition frequency/MHz	Pulse width/fs	Absorbed pump power/W	Average output power/mW	Peak power/kW	Reference
Yb∶CALYGO	976 nm InGaAs LD	KLM	1 080	65.6	25	0.836	47	25.2	［28］
Yb∶CALYGO	976 nm InGaAs LD	SESAM	1 059.8	65.95	35	0.845	51	19.4	［27］
Yb∶GYAP	979 nm fiber laser	KLM	1 067	84.6	32	3.75	328	106.6	［32］
Yb∶GYAP	976 nm InGaAs LD	KLM	1 082.3	67.25	23	1.02	45	25.6	［31］
Yb∶GYAP	976 nm InGaAs LD	SESAM	1 052.3	70.8	43	0.985	103	29.8	［30］

参考文献 32

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Spectroscopic Gain Bandwidth Modulation and Laser Performance of Ytterbium-Doped Mixed Crystals

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