受激布里渊散射、受激拉曼散射和克尔效应等非线性光学效应一直以来得到广泛研究。回音壁模式光学微腔具有超高品质因子和极小模式体积，日益成为了非线性光学相关研究的重要平台之一。使用超精密加工技术制备了氟化钙晶体微腔，品质因子Q值达3.6×10⁸。搭建了基于光学微腔的非线性光学的实验平台，在连续波泵浦的条件下激发了氟化钙晶体微腔中的受激布里渊散射、受激拉曼散射和克尔效应。实验中记录了级联布里渊、布里渊耦合四波混频、拉曼辅助克尔、超宽拉曼光频梳等丰富的非线性光学散射效应。结果表明超精密加工得到的氟化钙晶体微腔在非线性光学中有着优异的表现，是研究非线性光学的理想平台。

CaF2晶体在光刻机中应用成为国内外研究的热点，而晶体中存在各种缺陷严重制约其实际性能。本文跟踪观察了CaF2晶体(111)晶面形成的腐蚀坑的形貌特征和空间延伸特性，并分析了各种腐蚀坑所对应的缺陷特性，是实现对晶体缺陷精确表征与控制的前提。研究表明：CaF2晶体(111)晶面的腐蚀坑具有三角锥形坑、锥形-平底坑、平底坑3 种类型。三角锥形坑与锥形-平底坑具有定向移动特性，这表明这类腐蚀坑所对应的缺陷与材料的位错相关，其中：三角锥形坑的坑尖又有3种不同的精细结构，因此所对应的位错至少有3种晶体学走向；而平底坑没有观测到具有空间延伸特性，是缺陷被完全腐蚀后留下的尸体残余，其所对应的缺陷可能是杂质、空位、小的位错环等。通过实时追踪腐蚀坑的演化过程，获得腐蚀坑形成过程的物理参数，建立蚀坑的运动学模型，这也为进一步研究晶体材料的腐蚀理论提供基础。

采用自主设计改造的温梯炉，成功生长了不同浓度Ho3+、Y3+掺杂的CaF2及SrxCa1-xF2晶体，晶体尺寸约为15 mm×55 mm，生长周期约为6 d，能够实现7种不同浓度晶体的同步生长，并选取其中的4%(原子数分数)Ho,4%Y∶CaF2晶体进行分析，吸收测试表明，该晶体448 nm和643 nm处吸收峰的吸收截面分别是1.13×10-20 cm2和0.84×10-20 cm2， J-O理论分析得到了晶场强度参数Ωt(t=2、4、6)、辐射跃迁几率、荧光分支比和辐射寿命。在448 nm氙灯激发下，经计算得到该晶体在546 nm、650 nm 和752 nm处的发射截面分别为10.450×10-21 cm2、8.737×10-21 cm2和5.965×10-21 cm2,测得5F4和5F5能级的寿命分别为33.5 μs和17.7 μs。在640 nm LD泵浦激发下，经计算得到该晶体2 031 nm处发射截面为5.375×10-21 cm2，2 847 nm处发射截面为10.356×10-21 cm2，测得5I7和5I6 能级的寿命分别为4.37 ms 和1.85 ms。以上结果表明，多孔坩埚温梯法能够大大提高激光晶体稀土离子掺杂浓度筛选的效率，加快新型激光晶体材料的研发速度。

氟化钙(CaF2)晶体是一种性能优良的光学晶体材料。本研究用坩埚下降法生长了8英寸(20.32 cm)氟化钙单晶, 晶体外观完整, 无开裂及散射等宏观缺陷。定向切割后得到40 mm×6 mm的透明圆柱形晶体毛坯, 对毛坯样品进行二次退火处理后进行研磨抛光得到最终样品。对该系列样品进行紫外可见透过率、光学均匀性、应力双折射等测试。结果显示在200 nm波长处晶体透过率达到90%, 平均应力双折射小于0.5 nm/cm, 光学均匀性达到2.63×10-6。

氟化钙(CaF2)晶体具有紫外透过率高(＞99%@193 nm)、抗激光损伤阈值高等特点, 在高功率紫外激光器、深紫外光刻机等领域具有广泛的应用。应力双折射是氟化钙晶体在实际应用中的关键性能指标, 会导致通过晶体的光束发生形变, 严重影响成像质量。采用坩埚下降法制备了尺寸为210 mm的氟化钙晶体, 系统研究了CaF2晶体的位错和小角度晶界以及结晶质量对晶体应力双折射的影响, 实验结果表明, 位错密度的增高、小角度晶界的聚集、结晶质量的变差, 会引起局部残余应力的集中, 加剧应力双折射现象。

研究了氟化钙(CaF2)晶体不同晶面在355 nm脉冲激光辐照下的损伤特性。在7.8 ns脉冲激光辐照下,测量(100)、(110)和(111)三种不同晶面样品的损伤阈值和损伤点形貌,并基于表面热透镜技术测量样品表面的光热弱吸收。实验结果表明:(111)晶面CaF2晶体样品的光热吸收最高,激光损伤阈值最低,损伤形貌表现为熔融坑,并伴随有片层状剥离,说明了(111)面在355 nm激光作用下易解理;(100)和(110)面晶体的损伤形貌同样为熔融坑,但损伤阈值及光热弱吸收与晶面无明确的关联。

半导体光刻技术带动着光源逐步向短波辐射方向发展,以KrF-248 nm、ArF-193 nm光源为代表的准分子激光光刻光源逐步取代了以往基于汞灯的光刻光源,成为当前半导体光刻技术发展的主流光源。目前应用于光刻光源的光学元件主要以在深紫外波段具有优异传输特性的氟化钙(CaF2)材料为主。针对光源研发过程中涉及的光学元件与激光相互作用时会发生损伤的问题,从CaF2材料自身的物化特性、激光辐射特性以及激光与材料相互作用产生损伤的机理三个方面,综合分析了CaF2材料抗紫外激光研究的发展情况,比较了不同应用背景下CaF2材料的激光损伤特性,总结归纳了提高光学元件激光损伤阈值的措施和方法。

采用飞秒激光对氟化钙晶体表面进行加工。通过调控激光参数,采用静止聚焦和动态扫描两种方式在晶体表面加工出一系列微结构(烧蚀孔和烧蚀线)。分别对两种加工方式烧蚀后的氟化钙晶体表面微结构进行系统研究,包括参数依赖关系、材料表面烧蚀阈值等。计算结果表明:在静止聚焦情况下,累积因子为0.0033;在动态扫描情况下,当扫描方向与激光偏振方向垂直或平行时,累积因子分别为0.0043和0.0052。飞秒激光加工过程中的脉冲累积效应能够对晶体的烧蚀产生重要影响。

考虑用CaF2材料制作投影光刻物镜可以明显提高其性能指标, 本文研究了CaF2材料加工工艺的全流程, 以实现CaF2材料的全频段高精度加工。首先, 利用沥青抛光膜和金刚石微粉使CaF2元件有较好的面形和表面质量。然后, 优化转速、抛光盘移动范围、压力等加工工艺参数, 并使用硅溶胶溶液抛光进一步降低CaF2元件的高频误差, 逐渐去除加工中产生的划痕并且获得极小中频误差(Zernike残差)和高频粗糙度。 最后, 在不改变CaF2元件高频误差的同时利用离子束加工精修元件面形。对100 mm口径氟化钙材料平面进行了加工和测试。结果表明: 其Zernike 37项拟合面形误差RMS值可达0.39 nm, Zernike残差RMS值为0.43 nm, 高频粗糙度均值为0.31 nm, 实现了对CaF2元件的亚纳米精度加工, 为研发高性能深紫外投影光刻物镜奠定了良好基础。

对790 nm激光二极管泵浦Nd-La共掺和Nd-Sc共掺CaF2无序晶体激光器的特性进行了研究, 比较了掺杂不同浓度La3+和Sc3+的Nd∶CaF2晶体的吸收光谱和输出激光特性.在5 W泵浦功率下, 将0.5 at.% Nd3+与5 at.% La3+∶CaF2, 0.5 at.% Nd3+与3 at.% Sc3+∶CaF2掺杂, 分别获得1.10 W和0.64 W的连续激光输出, 斜效率分别为23.0%和12.8%, 阈值泵浦功率仅为10 mW.实验结果表明, Nd-La共掺和Nd-Sc共掺的CaF2晶体是一种可用于二极管泵浦且可获得高功率高效率激光输出的激光介质.