激光晶體材料是激光技術(shù)發(fā)展的核心和基礎(chǔ)之一，其光譜性能由激活離子及基質(zhì)晶體格位結(jié)構(gòu)決定。長期以來，激光晶體材料的創(chuàng)制遵循激活離子與基質(zhì)晶體“交叉組合”的發(fā)展模式，并由此產(chǎn)生了數(shù)百種激光晶體。然而，依靠這種模式所能獲得的晶體總量有限，無法滿足前沿激光技術(shù)發(fā)展對激光晶體不斷提出的新需求。因此，激光晶體材料迫切需要開拓新的發(fā)展模式，為激光技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展提供基礎(chǔ)和動力。

中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所蘇良碧團(tuán)隊提出并發(fā)展了“激活離子局域結(jié)構(gòu)重構(gòu)”策略，在稀土摻雜堿土氟化物激光晶體中實(shí)現(xiàn)稀土離子格位結(jié)構(gòu)多尺度、多維度操控，構(gòu)建“長程有序、短程無序”晶格新序態(tài)，研制出系列性能超越傳統(tǒng)激光材料的新型激光晶體，推動超強(qiáng)超快激光、中紅外激光等技術(shù)領(lǐng)域取得一系列新突破。相關(guān)成果在國際著名學(xué)術(shù)期刊Materials Science and Engineering:R: Reports上發(fā)表了題為“Laser crystals from combination paradigm to local structure design: A review on rational design principles,spectroscopic properties and laser applications”的綜述論文（DOI: 10.1016/j.mser.2024.100869）。

堿土氟化物晶體屬于開放型立方結(jié)構(gòu)，晶格中F離子形成的八面體空隙格位一半處于空置狀態(tài)，導(dǎo)致該類晶體具有缺陷類型多、缺陷密度容忍度高的特征。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)可為激活離子提供異常豐富的格位，是開展激活離子局域結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)與應(yīng)用研究的理想平臺。研究團(tuán)隊提出以稀土（Nd、Yb、Tm、Er等）摻雜堿土氟化物晶體作為激活離子局域結(jié)構(gòu)重構(gòu)的研究平臺，從改變激活離子濃度（0.01%~10%）、共摻結(jié)構(gòu)調(diào)劑離子R³⁺（R：La、Gd、Y、Lu等）、設(shè)計基質(zhì)組成（Ca_1-xSr_xF₂、Sr_1-xBa_xF₂）三個層面出發(fā)，構(gòu)建不同維度、不同尺度的離子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，稀土離子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)尺度從單體到六聚體、局域?qū)ΨQ性從高對稱性（O_h、C_4h）到低對稱性（C_s、C₁）、團(tuán)簇構(gòu)型從立方亞晶格到四角反棱柱的連續(xù)調(diào)控。由此，形成團(tuán)簇區(qū)域局域結(jié)構(gòu)高度無序、而團(tuán)簇外晶格高度有序（即“長程有序-短程無序”）的結(jié)構(gòu)新序態(tài)，打破了傳統(tǒng)激光晶體與玻璃之間的結(jié)構(gòu)界限。

這種“有序-無序耦合”的新序態(tài)結(jié)構(gòu)兼具晶態(tài)與非晶態(tài)特征，賦予晶體光譜性能參數(shù)連續(xù)調(diào)控的新特性，在光譜帶寬、能級壽命、量子效率等方面打破了已有激光材料的性能邊界。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊成功研制出一系列激光性能優(yōu)異的新材料，突破傳統(tǒng)激光晶體“交叉組合”范式的局限，解決了激光晶體格位結(jié)構(gòu)單一、光譜參數(shù)不可調(diào)控的科學(xué)問題，形成了激光晶體學(xué)科發(fā)展新方向。

團(tuán)隊研制的新序態(tài)激光晶體材料在超強(qiáng)超快激光、中紅外激光等領(lǐng)域取得一系列新突破：NYCF（Nd,Y:CaF₂）晶體率先實(shí)現(xiàn)1 μm波段103 fs的超快激光輸出，國際上首次將摻Nd晶體超快激光脈沖寬度由皮秒推進(jìn)至百飛秒；TmSF（Tm:SrF₂）晶體實(shí)現(xiàn)斜效率達(dá)81.8%的2 μm波段激光輸出，刷新了Tm激光效率世界記錄；ErCF（Er:CaF₂）晶體打破3 μm波段激光材料克服下能級粒子阻塞依賴高濃度摻雜的局限，在極低摻雜濃度（0.3 at%）下實(shí)現(xiàn)連續(xù)中紅外激光輸出，較Er:YAG等傳統(tǒng)晶體降低兩個數(shù)量級，并在3.0 at%濃度下實(shí)現(xiàn)了最大功率15 W的連續(xù)激光輸出，是目前Er晶體報道的最高激光功率。

論文第一作者為上海硅酸鹽所張振副研究員和暨南大學(xué)馬鳳凱副教授，通訊作者為上海硅酸鹽所蘇良碧研究員，該工作得到國家杰出青年科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃和中國科學(xué)院青年創(chuàng)新團(tuán)隊項目的資助。

文章鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927796X24000998?via%3Dihub

圖1 激光技術(shù)與激光晶體的發(fā)展歷程：（a）激光晶體的創(chuàng)制持續(xù)推動前沿激光技術(shù)發(fā)展；（b）激光技術(shù)發(fā)展的四大方向：超短脈沖、新波段、大能量和高功率；（c）傳統(tǒng)激活離子與基質(zhì)晶體“交叉組合”的發(fā)展范式；（d）基于“交叉組合”范式創(chuàng)制激光晶體的總量有限，新晶體創(chuàng)制進(jìn)入瓶頸期。

圖2稀土離子局域結(jié)構(gòu)重構(gòu)策略實(shí)現(xiàn)激光晶體光譜性能大范圍調(diào)控：（a）在堿土氟化物晶體中構(gòu)建不同維度、不同尺度的離子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)；（b）開放型立方結(jié)構(gòu)晶體作為結(jié)構(gòu)研究平臺可實(shí)現(xiàn)稀土離子局域格位結(jié)構(gòu)的靈活操控；（c）共摻結(jié)構(gòu)調(diào)劑離子實(shí)現(xiàn)晶體光譜參數(shù)大范圍調(diào)控；（d）“有序-無序耦合”結(jié)構(gòu)賦予摻Nd晶體超越傳統(tǒng)激光材料性能邊界的光譜性能。

圖3研制的新序態(tài)激光晶體在超強(qiáng)超快激光、中紅外激光等領(lǐng)域取得一系列新突破：（a）NYCF晶體國際上率先將摻Nd晶體超快激光脈沖寬度推進(jìn)至百飛秒；（b）TmSF晶體81.8%斜效率刷新了Tm激光效率世界記錄；（c）ErCF晶體實(shí)現(xiàn)了最大功率15 W的3μm波段連續(xù)激光輸出。