激光,即受激辐射光放大,具备亮度高、单色性、相干性和方向性好等特性,在军事对抗、机械加工、显示、医疗等诸多领域中都能够发现激光技术的活跃身影。自其诞生以来,经过60余年不断的发展和突破,激光技术已经获得了巨大进步,无时无刻不在深刻影响着人们的生活。未来,激光技术将是推动人类社会发展和科学进步的技术链中的重要一环,会在更多应用领域发挥其不可替代的作用和价值。激光器由泵浦源、增益介质、谐振腔构成。其产生的物质基础是增益介质,其中激活离子的种类确定了输出波长和应用领域。全固态激光器的增益介质是固体,以激光晶体、玻璃、陶瓷为主,具有体积小、结构紧凑、结构简单等优势,符合高集成、“功能复合材料器件一体化”的趋势,成为当前激光器研究的一大热门方向。其中,稀土离子掺杂的激光晶体是一类优秀的增益介质,受到广泛关注。镱离子（Yb3+）是一种重要的稀土激活离子,其发射峰集中在近红外1 μm附近。虽然人们对Yb3+掺杂激光晶体的研究起步较早,但是受限于当时的泵浦源条件而进展缓慢。直至二十世纪九十年代,得益于高功率InGaAs激光二极管技术的进步,Yb3+掺杂激光晶体的输出功率和效率得到显著提升,后来不断发展,目前已经成为一类不可或缺的增益介质。Yb3+作为激活离子具有独到的优势,其能级结构简单,无激发态吸收,可实现高掺等。此外,Yb3+的4f电子受外层电子的屏蔽较小,电子跃迁容易与晶格振动产生相互作用,即电子-声子耦合作用,进而改变辐射发光的能量传递过程,产生光谱展宽和新的辐射波长等现象,有利于实现超短超快激光输出。因此,研究Yb3+掺杂晶体的光谱展宽机制和电子-声子耦合效应对高性能超快全固态激光器的发展具有重要意义。在阴离子基团中,硼酸根离子（BO3）3-的键长最短,在稀土离子中,钪（Sc3+）的离子半径最小,因此ScBO3基质晶体中晶体场效应强,是获得大脉冲能量激光的理想增益介质。另外,B—O键的离子性非常大,Yb:ScBO3晶体中电子-声子耦合作用明显,光谱展宽效应增强,有望实现近红外超短脉冲激光输出及边带发射。SrW04是一种常见的拉曼激光增益介质。Yb:SrWO4晶体中存在不等价取代产生的多种电荷补偿缺陷,导致其发射光谱产生非均匀加宽,同时又存在电子-声子耦合效应产生的均匀加宽,使其同样具有宽的发射光谱,有利于获得近红外宽带调谐及超快激光输出。但是,受限于晶体较高的熔点和B2O3的强烈挥发,目前光学级Yb:ScBO3晶体的生长仍然是一个挑战,对晶体的光学性质研究尚显不足。Yb:SrWO4晶体目前也仅有物理性质和基本光谱性质的报道,未对其谱线展宽机制和激光输出潜力等问题进行深入研究。因此,生长高质量晶体,研究这两种宽光谱Yb3+离子掺杂激光晶体的谱线加宽机制对未来激光输出实验具有重要意义。本论文立足于Yb:ScBO3和Yb:SrWO4两种激光晶体,优化晶体生长参数,分别使用光学浮区法和提拉法生长了 Yb:ScBO3和三种掺杂水平的Yb:SrW04晶体,测定并分析了其结构及热学性质,测试了吸收和发射光谱,分析了各自的光谱展宽机制,明确了电子-声子耦合效应和电荷补偿对光光谱展宽的作用,为后续激光输出工作奠定了基础。论文主要内容如下:（一）Yb:ScBO3晶体生长和光谱性质研究采用光学浮区法生长了 Yb:ScBO3晶体,详细分析了转速、温度、气氛等生长参数对晶体结晶情况的影响。通过平衡晶体生长速度、H3BO3用量和O2含量的关系,在H3BO3过量总质量的6 wt%,生长速度为0.2 mm/h,转速为17.5 r/min的条件下,在50%O2+50%Ar气氛中生长得到了掺杂浓度为10 at.%的Yb:ScBO3单晶,结晶区域约为5mm×3 mm×2mm。使用X射线粉末衍射对所得到的Yb:ScBO3晶体开展了物相分析测试,通过Rietveld结构精修得到实际Yb:ScBO3晶体的晶胞参数,分析了 Yb3+的掺杂对ScBO3晶体的晶胞参数产生的影响。测试了 Yb:ScBO3的室温吸收光谱并计算了吸收截面,以波长为893 nm的氙灯为泵浦源,测试了不同温度条件下的荧光光谱,并使用Fuchtbauer-Ladenburg（F-L）法计算了对应发射截面。计算了增益截面并得到了有效正增益波长范围。计算了黄昆-里斯因子S,结果表明Yb:ScBO3晶体中存在较强的电子-声子耦合效应,对光谱的均匀加宽有重要作用。（二）Yb:SrWO4晶体生长和物性研究采用提拉法生长了 Yb3+离子理论掺杂浓度为0.5 at.%,1 at.%,5 at.%的Yb:SrWO4晶体,对晶体的结构、组分、密度和热学、光学性质等进行了系统地分析。XRD测试表明所生长的Yb:SrWO4晶体具有较高的纯度和良好的单晶性。摇摆曲线表明晶体具有较高的光学质量。Rietveld结构精修分析了因Yb3+离子的掺杂浓度的不同而导致的晶胞参数变化规律。测试了三组晶体的组分,得到了晶体的实际掺杂浓度及化学式,计算了有效分凝系数。测定了不同Yb3+掺杂浓度Yb:SrWO4晶体的比热容、热膨胀系数、热扩散系数和热导率,分析总结了晶体热学性质随温度和掺杂浓度的变化规律,计算了晶体密度随温度的变化曲线以及热冲击系数。测定了不同掺杂浓度Yb:SrWO4晶体的室温非偏振、偏振透过光谱、荧光寿命和室温偏振荧光光谱。根据透过光谱数据算得了偏振吸收截面,使用倒易法计算了偏振发射截面,使用波长为976 nm的光纤耦合二极管激光器作为泵浦源测试了三组Yb:SrWO4晶体的室温和低温（77 K）荧光光谱,并计算了黄昆-里斯因子S。结果表明,不同掺杂浓度Yb:SrWO4晶体的吸收和发射光谱均具有明显的偏振特性,最大吸收波长为969 nm,最大吸收截面为1.49×10-20 cm2,最大发射波长为1003 nm,最大发射截面为1.75×10-20 cm2。发射带宽为 150 nm,半峰宽为 50.84 nm,宽于 Yb:KLu（W04）2、Yb:NaY（WO4）2和Yb:NaGd（WO4）2等常见的钨酸盐激光晶体。Yb:SrWO4晶体的光谱展宽机制可归因于电荷补偿缺陷产生的非均匀加宽和电子-声子耦合产生的均匀加宽的协同作用。以上结果说明Yb:SrWO4晶体兼具宽光谱和优良的热学性能,是一种具有应用潜力的高功率超快激光增益介质。