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超短激光脉宽由皮秒发展到飞秒、阿秒，能量从纳焦提高到焦耳量级，峰值功率从千瓦提高到太瓦、拍瓦量级，接近物理极限，其应用领域不断深入到物理学、化学、生物医学、机械、微电子学、超高速光通信等诸多领域。全固态大功率飞秒激光器具有高效高功率、体积小、成本低、波长多样化和系统高稳定性的特点，是超快超短脉冲激光器发展的必然趋势。产生超快激光的材料必须具有宽增益带，Yb3+离子和主族金属离子掺杂的晶体是当前激光晶体发展的新方向。
Yb3+激活离子能级结构简单，电子构型4f13。掺镱离子(Yb3+)硅酸盐激光晶体由于具备量子效率高、不存在激发态吸收和上转换，宽的吸收带和发射带、长的荧光寿命，优良的光学、热力学和机械性能等特点，成为发展新型全固态高功率和超快激光器最具潜力的候选激光介质。本论文重点选择Yb掺杂的复合硅酸盐(GdxY1-x)2SiO5、正硅酸盐Sc2SiO5和偏硅酸盐Lu2Si2O7作为研究对象，采用提拉法生长晶体，开展结构与光谱、激光性能关系的探索性工作。主要内容如下：
Yb:(GdxY1-x)2SiO5晶体中的晶格常数、Yb3+分凝系数、热导率、吸收光谱、发射光谱和荧光寿命，随Gd/Y比例的变化而呈现出规律性的变化。Yb:GYSO(YSO)和Yb:GYSO(GSO)晶体的吸收和发射光谱的温度效应(15-300K)明显。由于Gd和Y离子共同作用，在晶格中形成多格位特征，造成晶格无序度增加，有利于LD泵浦超宽调谐激光输出。Yb:G0.1Y0.9SO晶体中v-向(垂直于生长轴)与p-向(平行于生长轴)相比，具有更佳的光谱和激光性能。v-向晶体在吸收泵浦功率8.9W、输出镜透过率7％时，1060nm波长处激光阈值1.9W，输出功率为3.13W，斜效率44.68％，可调谐范围1013.68nm-1084.82nm。Yb:GYSO(GSO)晶体在输出镜透过率为5％时，斜效率达42％，首次实现210fs锁模激光输出。
Yb:SSO晶体中Yb3+分凝系数km约为0.964，Yb3+基态2F7/2能级分裂达1027cm-1。Yb:SSO具有高热导率(7.5W·m-1K-1)和负折射率温度系数(-6.3×10-6 K-1)的特征，发射带宽71nm。在输出波长1088nm处的Bmin和Imin分别为0.0071和0.033kw·cm-2，小于Yb:LSO晶体在1082nm处的Bmin(0.0150)和Imin(0.13kW·cm-2)。通过合理设计谐振腔和散热系统，首次获得斜效率高45％，激光输出波长1064nm，泵浦阈值功率1.41W。
Yb:LPS晶体中Yb3+分凝系数约0.847，Yb3+基态2F7/2能级劈裂幅度为954cm-1。红外光谱和拉曼光谱显示Yb3+进入Lu3+格位后，Lu-O键振动受到扰动。考察了不同通光方向晶体从15K到300K的吸收光谱和发射光谱变化。比较了Yb:LPS和Yb:LSO、Yb:YAG晶体的光谱和激光参数。激光二极管抽运功率为3.32W时，1069nm处获得633mW激光输出，斜效率32.6％，泵浦阈值功率1.24W，实验过程中没有出现饱和现象。1070.9nm波长处获得TEM00模式的2.22W功率输出，获得1034nm-1089nm的宽调谐激光输出。