面向科技前沿，聚焦人工晶体，汇集研究新进展！

一周晶体前沿，一周一期介绍国际权威期刊近期刊发的晶体类精选论文。为方便广大读者浏览，我们已将其摘要译成中文。本期推出由中国科学院福建物质结构研究所王燕研究员精心整理的关于新型钕掺杂激光晶体研究前沿。

索引

1. Yb:CLNGG 晶体的生长、光谱特性及二极管泵浦克尔透镜锁模激光的首次演示

2. Yb3+ 掺杂 NaGd(1−x)La(x)(MoO4)2 复合激光晶体的结构、缺陷及光谱性质的第一性原理计算与实验研究

3. Yb:Lu3Ga5O12 晶体的生长、光谱特性及激光性能

4. 无序中熵 Yb:CaSrBaF6 单晶的成分设计与稳定 SESAM 锁模

5. 混合 Yb: Ca(Gd,Y)AlO4 无序晶体的生长、光谱特性及可饱和吸收镜锁模

#1

Yb:CLNGG 晶体的生长、光谱特性及二极管泵浦克尔透镜锁模激光的首次演示

Yb3+ 掺杂晶体由于在特定波段具备宽带发射特性，已成为 1 μm 光谱区域超短脉冲激光生成研究中的主要且可靠选择。Yb3+ 仅拥有一个激发能级，并且不存在激发态吸收现象，因此将 Yb3+ 掺杂激光材料与锁模激光技术相结合来开展 1 μm 飞秒激光的研究，一直是热门的研究领域。从激光技术和前沿应用这两个角度来看，获得脉冲宽度尽可能短的锁模激光器极具吸引力，但同时也充满挑战。从理论上讲，开发或挑选出具有宽发射光谱的合适 Yb3+ 掺杂激光材料，是飞秒激光研究的首要步骤。近期，厦门大学徐斌教授研究团队、中国科学院福建物质结构研究所王燕研究员研究团队与中国科学院长春光学精密机械与物理研究所佟存柱研究员研究团队合作，报道了 Yb:CLNGG 无序晶体的生长及其全固态克尔透镜锁模激光性能。相关研究成果以“Growth, spectroscopy, and the first demonstration of diode-pumped Kerr-lens mode-locked operation of a Yb:CLNGG crystal”为题发表在Optics & Laser Technology上。

摘要：

本研究探索了通过提拉法生长 Yb:CLNGG 无序晶体的过程及其光学特性（包括激光性能）。研究了该晶体的吸收和发射截面，并测量了荧光衰减曲线。采用经济高效的二极管激光器作为泵浦源，首次实现了波长约为 1058 nm 的克尔透镜锁模 Yb:CLNGG 激光器，获得了最短约 67 飞秒的脉冲宽度和 77.85 MHz 的重复频率，最大平均输出功率达 35 mW。通过优化晶体质量认为，该 Yb:CLNGG 晶体有望发展成为高性能全固态飞秒激光器。

文章信息：

Y. Z. Zhu, X. H. Li, Y. L. Liu, et al. Growth, spectroscopy, and the first demonstration of diode-pumped Kerr-lens mode-locked operation of a Yb:CLNGG crystal.Opt. Laser Technol., 2025, 186: 112719.

DOI: 10.1016/j.optlastec.2025.112719

#2

Yb3+ 掺杂 NaGd(1−x)La(x)(MoO4)2 复合激光晶体的结构、缺陷及光谱性质的第一性原理计算与实验研究

超快脉冲激光器由于在材料加工、紧凑型加速器、极端光物质相互作用及医学诊断等领域的巨大进步而备受关注。目前，广泛使用的成熟飞秒激光系统基于 Ti3+ 掺杂蓝宝石，其发射波段位于 700~1100 nm，需采用 Ar+ 激光器或倍频 Nd3+ 激光器提供的绿光泵浦。然而，这类泵浦源存在效率低、成本高的问题。因此，改进方法采用 Yb3+ 作为激活剂，其能级结构适合可调谐和超快脉冲激光。近期，安徽工业大学丁守军副教授研究团队通过提拉法制备了Yb:NaGd(1−x)La(x)(MoO4)2 晶体。该晶体具有无序结构，通过镧掺杂调控光谱性能，在 980 nm 处吸收带宽达 70 nm，发射截面在 1016 nm 处达到 2.25×10-20 cm2。基于该晶体的连续波激光器实现了 1.06 μm 激光输出，斜率效率 12.16%。Yb:NaGd(1−x)La(x)(MoO4)2 的宽吸收带和可调谐增益特性为高功率、宽调谐激光系统提供了新选择。相关研究成果以“First-principle calculations and experimental investigation of structure, defect, and spectra properties of Yb³⁺-doped NaGd(1−x)La(x)(MoO₄)₂ composite laser crystals”为题发表在Crystal Growth & Design上。

摘要：

非均匀展宽在无序晶体中已被广泛认为是增强稀土离子光谱带宽的有效方法，而 Yb3+ 掺杂的混合激光晶体作为超快脉冲材料，已成为近年来的研究热点。本研究采用提拉法生长了 x=0.3、0.5 和 0.9 的 NaGd(1−x)La(x)(MoO4)2 混合钠钆/镧双钼酸盐无序激光晶体。通过 X 射线衍射、扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱和拉曼实验对晶体结构进行了表征，并系统研究了其吸收、发射和荧光衰减等光谱特性。结果表明，NaGd0.5La0.5(MoO4)2（NGLM） 复合晶体在 980 nm 处展现出 70 nm （半峰宽）的超宽吸收带，显著优于 NaGd(MoO4)2（NGM）和 NaLa(MoO4)2（NLM）。结合第一性原理计算，分析了 NGM、NGLM 和 NLM 的电子结构（能带结构和态密度）。在贫氧和富氧条件下缺陷形成能计算表明，在还原气氛中制备的未掺杂 NGM 晶体易生成 +2 价缺陷。吸收特性计算揭示了未退火 NGM 晶体的黑色主要源于缺陷诱导态与价带顶或导带顶之间的带内跃迁。此外，通过对不同实验环境下 Yb3+ 激发态 2F5/2 的寿命测量，获得了本征辐射寿命，并计算出 1016 nm 处的发射截面为 2.25×10-20 cm2。Yb3+:NaGd(1−x)La(x)(MoO4)2 晶体的特性表明，通过简单的复合工程策略调控，其在超快和宽调谐激光领域具有潜在应用前景。

文章信息：

C. C. Zhang, S. J. Ding, W. Z. Su, et al. First-principle calculations and experimental investigation of structure, defect, and spectra properties of Yb3+-doped NaGd(1−x)La(x)(MoO4)2 composite laser crystals. Cryst. Growth Des., 2024, 24: 7092-7103.

DOI: 10.1021/acs.cgd.4c00732

#3

Yb:Lu3Ga5O12 晶体的生长、光谱特性及激光性能

近年来，可调谐和超短脉冲激光器因在科研和工业领域的广泛应用而备受关注。探索新型激光材料以实现高效固态可调谐和超短脉冲激光是当前重要研究方向。作为常用激光增益介质，Yb3+ 工作于约 1 μm 波长，具有简单的电子能级结构，有利于在可调谐固态激光器和超短脉冲激光器中的应用。特别是石榴石结构晶体作为极具潜力的固态激光材料，具有高的结构稳定性、大的热导率和优异的激光性能，在激光研究中具有重要价值。中国科学院安徽光学精密机械研究所张庆礼研究员和孙贵花研究员研究团队采用提拉法成功生长了 Yb3+ 原子百分比为5% 的 Yb:Lu3Ga5O12 （Yb:LuGG）晶体，在连续波模式下的最大输出功率为 2.57 W（斜率效率为 12.16%），波长为 1037.2 nm。该晶体的高热导率和高增益特性使其在高功率激光系统中具有竞争力。相关研究成果以“Growth, spectral characteristics, and laser performance of Yb:Lu₃Ga₅O₁₂ crystals”为题发表在Journal of Alloys and Compounds上。

摘要：

本研究采用提拉法成功生长了尺寸为 ϕ30 mm×50 mm 的 Yb:LuGG 单晶，系统研究了其生长工艺、光谱特性及激光性能。通过室温和低温（8 K）下的吸收光谱、荧光光谱和荧光寿命测试，计算了 Yb:LuGG 的吸收截面、振子强度、谱线强度、跃迁概率及辐射寿命。实验测定了不同条件下 Yb3+ 激发态 2F5/2 的寿命，结果与理论计算高度吻合。测得 Yb:LuGG 单晶发射截面为 2.11×10-20 cm2，高于传统激光晶体 Yb:YAG。基于叠加模型，拟合了Yb:LuGG的自旋轨道参数和本征晶体场参数，计算能级与实验结果一致。此外，通过激光性能参数计算，获得了 2.57 W 的最大输出功率，斜率效率达 12.16%。研究表明，Yb:LuGG 晶体是极具潜力的新型激光材料。

文章信息：

M. L. Yang, R. X. Wang, W. L. Qian, et al. Growth, spectral characteristics, and laser performance of Yb:Lu3Ga5O12 crystals. J. Alloys Compd., 2025, 1010: 178255.

DOI: 10.1016/j.jallcom.2024.178255

#4

无序中熵 Yb:CaSrBaF6 单晶的成分设计与稳定 SESAM 锁模

在过去的几十年中，Yb3+ 掺杂激光材料得到了广泛研究，实现了连续高效的锁模激光输出。特别是宽带 Yb3+ 掺杂激光材料，目前已应用于 1 μm波段的商用超快被动锁模振荡器中。宽带 Yb3+ 掺杂激光材料具有快速响应时间、高峰值功率和平均功率，而更短的激光脉冲一直是其实际应用追求的目标。为了进一步压缩当前激光脉冲宽度，相应的荧光光谱必须具有较大的荧光带宽。近年来，研究人员一直在寻找更无序的激光材料，试图增加 Yb3+ 掺杂混合基质材料的半峰宽，从而实现脉冲宽度的突破。近期，同济大学王庆国教授研究团队首次设计并制备了一种新型无序中熵晶体 Yb:CaSrBaF6，该晶体通过温度梯度法成功生长，Ca2+/Sr2+/Ba2+ 近等原子比均匀分布，形成萤石型固溶体结构。相关研究成果以“Component design and stable SESAM mode-locking of the disorder middle entropy Yb:CaSrBaF6 single crystal”为题发表在Optics Express上。

摘要：

本文首次采用温度梯度法设计并生长了一种新型无序激光多组分中熵晶体 Yb:CaSrBaF6（Ca0.33Sr0.33Ba0.33F2）。X射线衍射和X射线荧光分析表明，Yb:CaSrBaF6 晶体中的 Ca2+、Sr2+和 Ba2+ 以近等原子比（1:1:1）形成了均匀的单相萤石固溶体。通过第一性原理计算，进一步证实 Ca2+、Sr2+、Ba2+ 倾向于在基质晶体中均匀分布，此时总形成能最低（-547.17 eV），结构最稳定。系统表征了晶体的光谱特性，Yb:CaSrBaF6 晶体在 1040 nm 处的 2F5/2→2F7/2 跃迁发射截面为 0.62×10-20 cm2，半峰全宽达 60.5 nm。多种阳离子的均匀无序分布和晶格畸变效应导致晶体局域结构和发光多样性增强，从而引起光谱的非均匀展宽。同时，Yb:CaSrBaF6 晶体在 1055.4 nm 处实现了 1.128 W 的连续波输出，斜率效率为 32%，光-光转换效率为 28.7%。通过采用半导体可饱和吸收镜实现稳定锁模，当吸收泵浦功率达到 3.79 W 时，激光器进入连续锁模状态，获得了 123 mW 的最大平均输出功率、89 ps 的脉冲宽度（重复频率 54.6 MHz），脉冲能量为 2.25 nJ，峰值功率为 25 W。优化泵浦芯径和消除色散后，Yb:CaSrBaF6 晶体的激光性能有望进一步提升。所有结果表明，Yb:CaSrBaF6 晶体是一种新型激光材料，为无序材料及其他稀土离子掺杂的研究提供了参考。

文章信息：

W. D. Wang, Q. G. Wang, C. B. Zhang, et al. Component design and stable SESAM mode-locking of the disorder middle entropy Yb:CaSrBaF6 single crystal.Opt. Express, 2024, 32(18): 31644-31656.

DOI: 10.1364/OE.504864

#5

混合 Yb: Ca(Gd,Y)AlO4 无序晶体的生长、光谱特性及可饱和吸收镜锁模

Yb3+ 掺杂的四方钙稀土铝酸盐晶体（Yb:CaREAlO4，其中RE=Gd或Y）已成为一类卓越的激光材料，在 ~1 µm 波段展现出功率可扩展、宽调谐范围和超快激光的优点。这类晶体的非均匀光谱展宽源于 Yb3+ 掺杂的第二配位层受 Ca2+ 和 RE3+ 随机分布的影响。由于这些离子间的电荷差异和配位层内阳离子间距的变化，Yb:CaREAlO4 中的 Yb3+ 表现出“玻璃态”光谱行为，具有宽吸收和发射带。Yb:CaREAlO4 晶体宽而平滑的增益谱对宽调谐激光操作和通过被动锁模实现亚 50 飞秒脉冲至关重要。结合克尔透镜锁模技术，此类晶体甚至能产生亚 20 飞秒脉冲。中国科学院福建物质结构研究所陈玮冬研究员研究报道了新型混合晶体 Yb:Ca(Gd,Y)AlO4 的生长与激光性能，该晶体通过提拉法生长，具有钆钇混合的无序结构，实现了宽光谱增益和高效锁模激光输出。相关研究成果以“Growth, spectroscopy and SESAM mode-locking of a “mixed” Yb: Ca(Gd,Y)AlO4 disordered crystal”为题发表在Optics Express上。

摘要：

本文展示了一种新型“混合”四方稀土铝酸钙晶体 Yb:Ca(Gd,Y)AlO4 的生长、光谱、连续波和被动锁模激光操作。推导了 π 和 σ 偏振方向的吸收、受激发射及增益截面。采用空间单模 976 nm 光纤耦合激光二极管作为泵浦源，研究了 c 切割 Yb:Ca(Gd,Y)AlO4 晶体的激光性能。在连续波状态下获得了 347 mW 的最大输出功率，斜率效率为 48.9%。使用基于石英的 Lyot 滤光片，发射波长可在 90 nm (1010~1100 nm) 连续可调。使用商用半导体可饱和吸收镜来启动和维持锁模操作，可在 1059.8 nm 处产生了最短 35 飞秒的孤子脉冲，平均输出功率为 51 mW，重复频率约 65.95 MHz。当脉冲宽度略微延长至 42 飞秒时（1063.5 nm），平均输出功率可提升至 105 mW。

文章信息：

P. Zhang, W. Wu, Z. Lin, et al. Growth, spectroscopy and SESAM mode-locking of a “mixed” Yb: Ca(Gd,Y)AlO4 disordered crystal. Opt. Express, 2024, 32: 3221.

DOI: 10.1364/OE.514436

编译丨王燕

编辑丨刘淑雅

本期编译

王燕，博士，中国科学院福建物质结构研究所研究员。任《人工晶体学报》青年编委，Chinese Chemical Letters青年编委、中国稀土学会稀土晶体分会和中国晶体学会晶体应用与产业分会委员。主要从事大尺寸光功能晶体材料的生长和性能研究。近年来，作为负责人主持完成两项国家自然科学基金面上项目和四项福建省科技计划重点项目，作为研究骨干承担科技部重点研发计划项目和国家自然科学基金重点项目等任务。近五年发表论文61篇，申请10项专利，获得6项国内发明授权专利，参与撰写4部专章。获得福建省自然科学二等奖（排名第三）。

征稿启事

《人工晶体学报》（月刊）是中文核心期刊、中国科技核心期刊，创刊于1972年，是我国人工合成晶体领域唯一的专业性学术期刊。《人工晶体学报》国内被《中国学术期刊（光盘版）》、万方、维普、超星等数据库收录，国外被美国化学文摘（CA）、荷兰SCOPUS、日本科学技术振兴机构、美国EBSCO等数据库收录。

刊登范围

人工合成晶体材料、低维晶态材料、人工微结构材料、生物医药结晶等方面的基础理论、合成与生长、结构与性能表征、器件组装及合成装备制造等的研究进展与应用开发成果，同时介绍国内外相关方向的发展动态和学术交流活动等。

特色栏目

综合评述：对国内外晶体材料在某一领域或某一专题方向的最新研究进展进行总结、评述和展望。

专论/观点：由行业内有影响力的科学家或研究人员就某学科领域的方向和发展发表专论或提出新的学术观点。

研究快报：快速简要报道某研究课题最新的具有显著学术价值的原创性阶段或最终研究成果，突出时效性。

研究论文：面向学术前沿的原创性的学术研究文章，要求架构清晰，研究讨论深入，结论明确。

简讯：不定期刊登重点实验室、研发团队、企业等最新研究进展，书讯、会讯等。

封面故事：以“奇妙的晶体”为主题，报道有代表性的各类晶体，内页辅以科普文字介绍，在普及晶体知识的同时让大家了解行业最新进展。

在线投稿