激光晶体材料是激光技术发展的核心和基础之一，其光谱性能由激活离子及基质晶体格位结构决定。长期以来，激光晶体材料的创制遵循激活离子与基质晶体“交叉组合”的发展模式，并由此产生了数百种激光晶体。然而，依靠这种模式所能获得的晶体总量有限，无法满足前沿激光技术发展对激光晶体不断提出的新需求。因此，激光晶体材料迫切需要开拓新的发展模式，为激光技术的创新发展提供基础和动力。

中国科学院上海硅酸盐研究所苏良碧团队提出并发展了“激活离子局域结构重构”策略，在稀土掺杂碱土氟化物激光晶体中实现稀土离子格位结构多尺度、多维度操控，构建“长程有序、短程无序”晶格新序态，研制出系列性能超越传统激光材料的新型激光晶体，推动超强超快激光、中红外激光等技术领域取得一系列新突破。相关成果在国际著名学术期刊Materials Science and Engineering:R: Reports上发表了题为“Laser crystals from combination paradigm to local structure design: A review on rational design principles, spectroscopic properties and laser applications”的综述论文（DOI: 10.1016/j.mser.2024.100869）。

碱土氟化物晶体属于开放型立方结构，晶格中F离子形成的八面体空隙格位一半处于空置状态，导致该类晶体具有缺陷类型多、缺陷密度容忍度高的特征。这种独特的结构可为激活离子提供异常丰富的格位，是开展激活离子局域结构基础与应用研究的理想平台。研究团队提出以稀土（Nd、Yb、Tm、Er等）掺杂碱土氟化物晶体作为激活离子局域结构重构的研究平台，从改变激活离子浓度（0.01%~10%）、共掺结构调剂离子R³⁺（R：La、Gd、Y、Lu等）、设计基质组成（Ca_1-xSr_xF₂、Sr_1-xBa_xF₂）三个层面出发，构建不同维度、不同尺度的离子团簇结构。研究发现，稀土离子团簇结构可以实现尺度从单体到六聚体、局域对称性从高对称性（O_h、C_4h）到低对称性（C_s、C₁）、团簇构型从立方亚晶格到四角反棱柱的连续调控。由此，形成团簇区域局域结构高度无序、而团簇外晶格高度有序（即“长程有序-短程无序”）的结构新序态，打破了传统激光晶体与玻璃之间的结构界限。

这种“有序-无序耦合”的新序态结构兼具晶态与非晶态特征，赋予晶体光谱性能参数连续调控的新特性，在光谱带宽、能级寿命、量子效率等方面打破了已有激光材料的性能边界。在此基础上，研究团队成功研制出一系列激光性能优异的新材料，突破传统激光晶体“交叉组合”范式的局限，解决了激光晶体格位结构单一、光谱参数不可调控的科学问题，形成了激光晶体学科发展新方向。

团队研制的新序态激光晶体材料在超强超快激光、中红外激光等领域取得一系列新突破：NYCF（Nd,Y:CaF₂）晶体率先实现1 μm波段103 fs的超快激光输出，国际上首次将掺Nd晶体超快激光脉冲宽度由皮秒推进至百飞秒；TmSF（Tm:SrF₂）晶体实现斜效率达81.8%的2 μm波段激光输出，刷新了Tm激光效率世界记录；ErCF（Er:CaF₂）晶体打破3 μm波段激光材料克服下能级粒子阻塞依赖高浓度掺杂的局限，在极低掺杂浓度（0.3 at%）下实现连续中红外激光输出，较Er:YAG等传统晶体降低两个数量级，并在3.0 at%浓度下实现了最大功率15 W的连续激光输出，是目前Er晶体报道的最高激光功率。

论文第一作者为上海硅酸盐所张振副研究员和暨南大学马凤凯副教授，通讯作者为上海硅酸盐所苏良碧研究员，该工作得到国家杰出青年科学基金、国家重点研发计划和中国科学院青年创新团队项目的资助。

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

图1 激光技术与激光晶体的发展历程：（a）激光晶体的创制持续推动前沿激光技术发展；（b）激光技术发展的四大方向：超短脉冲、新波段、大能量和高功率；（c）传统激活离子与基质晶体“交叉组合”的发展范式；（d）基于“交叉组合”范式创制激光晶体的总量有限，新晶体创制进入瓶颈期。

图2稀土离子局域结构重构策略实现激光晶体光谱性能大范围调控：（a）在碱土氟化物晶体中构建不同维度、不同尺度的离子团簇结构；（b）开放型立方结构晶体作为结构研究平台可实现稀土离子局域格位结构的灵活操控；（c）共掺结构调剂离子实现晶体光谱参数大范围调控；（d）“有序-无序耦合”结构赋予掺Nd晶体超越传统激光材料性能边界的光谱性能。

图3研制的新序态激光晶体在超强超快激光、中红外激光等领域取得一系列新突破：（a）NYCF晶体国际上率先将掺Nd晶体超快激光脉冲宽度推进至百飞秒；（b）TmSF晶体81.8%斜效率刷新了Tm激光效率世界记录；（c）ErCF晶体实现了最大功率15 W的3μm波段连续激光输出。