超快飞秒激光具有高时间分辨率、高峰值功率、低热效应等特性,在精密加工、显微成像、光通信等领域得到了广泛应用。随着激光二极管的快速发展,LD泵浦的全固态激光器产生超短脉冲激光逐渐成为最理想的方式之一。激光增益基质作为激光器的核心部位,要实现超快飞秒级激光运转,需要激光增益材料同时具有宽发射光谱、高的热导率和高的发射截面等特性。在新材料研究中,将Gd³⁺离子掺入到YAP激光晶体中形成一种新的混晶GYAP晶体,以提高晶体的无序度,可以使得掺入该晶体的激活离子的吸收光谱和荧光光谱非均匀展宽,有利于实现超快激光运转。本文以Nd:GYAP和Yb:GYAP晶体作为研究对象,对其生长工艺和光谱性能进行了详细研究,并进行了初步激光实验,全面评价了Nd:GYAP和Yb:GYAP晶体作为固体超快激光晶体的可能性。本文主要研究内容及成果如下:1.第一章介绍超快固体激光器的发展现状,简要阐述几种常见的宽带激光晶体的优缺点,提出了LD泵浦掺钕和掺镱的超快固体增益材料的研究必要性,指出了本文选择GYAP晶体作为研究对象的依据。2.详细介绍了GYAP晶体的生长原理与工艺,系统讨论了影响晶体质量的几个工艺因素,并以纯度99.999%的Al₂O₃、Y₂O₃、Gd₂O₃作为原料,采用提拉法成功生长了高质量的GYAP单晶;对生长的GYAP晶体结构进行XRD测试表征,其晶体结构与YAP晶体结构相同,空间群同为Pnma,在生长及降温过程中未发生结构相变。3.采用提拉法成功生长了Nd:GYAP晶体,研究了晶体的吸收光谱,通过Judd-Ofelt理论分析了Nd:GYAP晶体的J-O强度参数、自发辐射寿命、自发辐射几率等,Nd:GYAP晶体的J-O强度参数为Ω₂=0.85×10^-20cm²,Ω₄=3.71×10^-20cm²,Ω₆=4.13×10^-20cm²。测量了Nd:GYAP晶体的荧光光谱,在1079nm处发射峰的发射截面为9.02×10^-20cm²,半峰宽达46nm,相应的⁴F_3/2能级寿命为189.5μs。对比其他Nd³⁺离子掺杂的晶体,Nd:GYAP晶体具有宽的发射带宽和较高的发射截面,有利于实现超快激光输出。同时对Nd:GYAP晶体进行了激光实验,采用b切Nd:GYAP晶体在1.08μm谱线处获得连续激光输出,在吸收功率为7.03W时,最大输出功率可达2.12W,相应斜率效率为34%。4.采用提拉法成功生长了Yb:GYAP晶体,对该晶体的光谱特性了进行系统分析。在室温中测得Yb:GYAP位于959nm处吸收峰的吸收截面为1.09×10^-20cm²,适合用InGaAs激光二极管泵浦。Yb:GYAP晶体的主要发射带位于950-1100nm处,对应于Yb³⁺离子²F_5/2→²F_7/2能级之间的跃迁,在1051nm处算得发射截面为1.18×10^-20cm²,其发射截面与Yb:YAP(0.6×10^-20cm²)、Yb:LuVO₄(1.0×10^-20cm²)及Yb:CGA(0.75×10^-20cm²)相比有着一定的优势,而且Yb:GYAP晶体²F_5/2能级寿命达1.638ms。同时对Yb:GYAP晶体进行了激光实验,利用b切Yb:GYAP晶体在1μm谱线处获得连续激光输出,在吸收功率为5.82W时,最大输出功率可达0.51W,相应斜率效率为23.5%。