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随着激光二极管(LD)逐步取代传统的闪光灯作为固体激光器的泵浦源，探索新型适合LD泵浦的激光晶体和重新评价现有激光晶体成为研究热点。本论文围绕这一研究热点，研究了双掺Er3+/Yb3+离子的Ca3Ln2(B03)4(Ln=Y，Gd，La)硼酸盐晶体以及掺Nd3+和Yb3+离子的YxLa1-xCa4O(BO3)3和GdxLa1-xCa4O(BO3)3硼酸盐晶体的生长、表征、光谱和激光性能。
1、本论文首先简要概述了激光晶体的发展历史以及研究现状，介绍了激光晶体中稀土离子的光谱理论分析方法和研究中所涉及到的实验原理方法。
2、采用提拉法生长出了Er+/Yb3+:Ca3Y2(BO3)4、Er3+/Yb3+:Ca3Gd2(BO3)4和Er3+/Yb3+:Ca3La2(BO3)4系列晶体。用ICP方法测定了各晶体中掺杂稀土离子的浓度，并计算了其分凝系数；采用401MVATM显微维氏硬度计测量了晶体的维氏硬度；采用DSC方法测定了三种晶体的比热。在室温下研究了晶体的的吸收谱、荧光谱和荧光寿命。其在980nm附近都有非常大的吸收系数和较大的半峰宽，从而能与商业化的LD泵浦源InGaAs相匹配。运用J-O理论计算了其光谱参数以及1535nm处的发射跃迁截面。与单掺Er+离子的Ca3Ln2(BO3)4晶体相比，Er3+/Yb3+:Ca3Ln2(BO3)4晶体有较大的Ω，参数、发射跃迁截面、荧光量子效率。
3、采用提拉法分别生长了不同La3+离子浓度的掺杂Nd3+和Yb3+离子的YxLa1-xCa4O(BO3)3和GdxLa1-xCa4O(BO3)3晶体。用D/max-rA衍射仪对所生长的晶体进行X-射线粉末衍射分析，结果显示所生长晶体与YCOB，GdCOB晶体有相同的结构；利用X射线定向仪和偏光显微镜定出了晶体的折射率主轴；采用ICP分析方法测量晶体中稀土离子的浓度，并计算了其分凝系数；测量了上述八个晶体的硬度和比热，结果表明与YCOB，GdCOB晶体相差不是很大；采用NETZSCH DIL402 PC热膨胀仪测量了晶体的热膨胀系数，发现随着La3+离子的掺入，热膨胀系数都比原YCOB和GdCOB大了约有1.5倍。实验结果表明La3+离子的掺入对其物理性能影响不是很大，基本保留了YCOB，GdCOB晶体原有物理性能，从而没有破坏其作为基质晶体的优秀条件。
4、研究了Nd3+:YxLa1-xCa O(BO3)3和Nd3+:GdxLa1-xCa4O(BO3)3晶体的偏振吸收谱、偏振荧光谱和荧光寿命，并运用J-O理论进行了光谱参数的计算。这些晶体在812nm处都具有较大的吸收峰半峰宽和吸收跃迁截面，这有利于激光晶体对泵浦光的吸收，同时也放松了对泵浦LD温度控制的要求。与Nd:YCOB，Nd:GdCOB晶体相比较，Nd3+:YxLa1-xCa4O(BO3)3和Nd3+:GdxLa1-xCa4O(BO3)3系列晶体有较大的Ωλ值和较大的发射跃迁截面。并且其850nm-950nm波段具有较大的荧光分支比和荧光相对强度，有利于实现该波段890nm的激光输出。
5、研究了Yb3+:YxLa1-xCa4O(BO3)3和Yb3+:GdxLa1-xCa4O(BO3)3晶体的偏振吸收谱、偏振荧光谱和荧光寿命，并计算了其相关的光谱参数和激光参数。其902nm和976nm附近的两个较强的吸收峰都能与InGaAs半导体激光器输出波长相匹配，适合其泵浦。其基态2F7/2能级劈裂较大(分别达到1033cm-1、1011cm-1)，有利于粒子形成反转机制。Yb3+离子的多个格位使得其荧光谱线型较宽，其荧光线宽达到60nm，非常适合做飞秒脉冲和可调谐激光晶体。其发射跃迁截面、饱和泵浦功率密度、临界反转数、最小泵浦功率也都优于Yb:YCOB和Yb:GdCOB晶体。
6、研究了Nd3+:GdxLa1-xCa4O(BO3)3激光晶体的氙灯泵浦激光特性。采用小型氙灯泵浦Nd3+:GdLa0.33COB激光棒，输出镜透过率为T=8.8％时效率最大，当氙灯输入能量为17.54J时，该激光棒获得了5.44mJ的输出，总效率ηo=0.031％，曲线的斜效率ηs=0.047％。当输出镜透过率为T=2.072％时，测得其最低激光阈值为3.14J。