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氟化钙(CaF2)晶体是一种传统的晶体材料，因其优异的光学和物化性能，以及独特的结构特征，在工业应用和科学研究领域一直都发挥着非常重要的作用。CaF2晶体具有立方晶系结构，容许各种掺杂离子高浓度的掺入，同时多样化的电荷补偿方式产生具有丰富对称性的晶格格位结构，是人们从事晶体结构缺陷、离子动力学性能、发光性能等基础理论研究工作的理想体系。这种独特的结构特征还赋予掺质CaF2晶体非常宽的吸收和发射光谱，有利于激光二极管(LD)泵浦和实现可调谐、超短激光脉冲。
本论文主要围绕以下三个方面开展研究工作：(1)以CaF2-CeF3混晶为基质生长Er，Yb共掺晶体，研究Yb，Er，Ce三种离子间的能量传递过程，揭示Yb离子对Er离子的敏化作用和Ce离子对Er离子的去激发作用；(2)在Nd：CaF2中共掺阳离子(Na+，Y3+等)通过调控掺杂离子的局域格位结构来调控掺杂离子的光谱性能，拓展CaF2晶体作为激光基质在LD泵浦全固态激光器方面的应用；(3)在稀土掺杂CaF2研究基础上，选择具有更低对称性的四方相PbCIF晶体为基质，研究稀土离子在其中的光谱性能。
第一部分，综述了稀土掺杂氟化物和复合卤化物的研究背景，总结了稀土掺杂氟化物晶体的晶格缺陷和微观点阵结构的相关研究成果，以及作为激光基质和被动调Q开关材料的研究现状和进展。在此基础上，确立了本论文的研究方向和思路。
第二部分，采用温梯法对比生长了Er-和Er，Yb：CaF2-CeF3混晶和CeF3单晶，并对生长晶体在1.5μm波段的发光性能进行了分析讨论，研究了三种掺杂离子(Er，Yb，Ce)之间的能量传递过程；980nm LD激发下Er，Yb：CaF2-CeF3混晶1.5μm荧光量子效率高达79%，Yb→Er能量转移速率高达87%；通过对其上转换光谱的测试发现通过共掺去激发离子Ce3+成功消除了Er，Yb：CaF2-CeF3混晶和Er，Yb：CeF3单晶的上转换发光，提高了Er3+1.5μm发光的荧光量子效率。
第三部分，采用坩埚下降法生长了一系列Nd，Na：CaF2晶体，通过对其光谱性能的测试，研究了Na+离子共掺对Nd3+离子光谱性能的影响；Na+作为缓冲离子能够抑制Nd3+团簇的形成，作为电荷补偿离子能够维持系统电荷平衡，抑制间隙F-i离子的形成；结果表明，Na+共掺对Nd3+光谱性能有很大影响，能够降低Nd3+离子在790nm处的吸收截面，但并不能有效改善Nd3+离子光谱结构；此外，Na+共掺能够极大地提高Nd3+1.06μm的荧光寿命。但是，随着Na+的加入，生长晶体的晶胞参数增大，晶体热导率降低。
第四部分，采用坩埚下降法生长不同浓度配比的Nd，Y：CF2晶体，通过对其光谱性能的测试发现，Y3+共掺能够有效地调节Nd3+离子在CaF2晶体中的光谱性能，通过浓度优化实现了Nd，Y：CaF2晶体宽而平坦的发射光谱，其中2%Nd，2%Y：CaF2晶体1.06μm发射带宽达26nm，实现了与钕玻璃光谱的匹配；在较低Nd3+浓度(<3.0%)下，随着Y3+加入Nd3+1.06μm的峰值发射截面逐渐增大，其荧光寿命也随之增长；通过同步辐射测试，表明Y3+共掺能够扩张CaF2晶格使其晶胞参数逐渐增大，Nd3+离子配位数增高；此外，Y3+共掺能够导致Nd：CaF2晶体热导率的降低；采用790nm Ti：Sapphire激光激发，在2%Nd，2%Y：CaF2中实现了1064nm室温连续激光输出，输出最大功率为23mW，斜率效率为5.6%。
第五部分，通过坩埚下降法生长了Yb-和Nd-PbClF晶体，实现了掺杂离子(Yb3+和Nd3+)宽带发光；其中Yb3+离子1026nm发射带宽达58nm，1070nm荧光寿命高达3.3ms，通过低温光谱确定Yb3+基态2F7/2能级的晶场Stark劈裂高达1130cm-1，对应激光下能级粒子布居仅为0.44%，有利于实现低阈值的激光运转；Nd3+离子在PbClF晶体中在1.06μm波段具有平滑的宽带发光，其中0.5%Nd：PbClF中其发射带宽达到30nm，是钕玻璃的1.5倍，非常有利于实现1.06μm波段宽带调谐激光和超短激光脉冲输出。
最后总结了本论文的主要研究结论，概括了论文研究工作中的创新点，指出了在此论文基础上可以进一步开展的工作和展望。