首次提出“强场耦合Yb3+离子准四能级系统”的新概念——利用强场耦合作用增加Yb3+离子的基态能级劈裂，降低激光下能级的热布居比例。Yb:GSO晶体具有最大的1067cm-1 Stark分裂，其Boltzmann布居：exp(-E12/kT)=0.6%,Yb:GSO是迄今发现的具有最大”5→4”荧光分子比。先后在硅酸盐系列晶体中实现超快激光输出：Yb:GSO 实现1092.5nm激光输出（阈值77mW）,宽调谐97nm；Yb:LYSO晶体实现斜效率96%激光输出，61fs激光输出；Yb:GYSO晶体实现1093nm、210fs的超快激光输出；Yb:LSO晶体实现1045.5nm和1059nm双波长，750fs,3.66THz超高重频1.27W激光输出；Yb:Sc2SiO5晶体实现71fs，150mm微片280W激光输出。考虑到许多重要稀土离子激光通道很多均属三能级系统，如Tm3+的2μm波段3H4 → 3H6，Er3+的1.5μm波段4I13/2 → 4I15/2， Ho3+的2μm波段5I7 → 5I8，还有Tm3+,Ho3+共掺等等。我们把以上“强场耦合稀土离子准四能级系统”原理推广应用，发现Tm3+离子在YSO和LSO基质晶格中具有典型的强场耦合特性，其下能级具有最大的劈裂分别为1021cm-1和1093cm-1。
自2003年始，系统提出在掺稀土碱土氟化物（AeF2,Ae = Ca, Sr, Ba）晶体中共掺入M+（或Me3+），打破离子团簇（团聚）、在原子、分子和基团尺度上调控稀土离子的局域配位结构。 根据光谱和激光性能要求，研制了一系列新材料：Na,Yb:CaF2、Na ,Nd:CaF2、Na,Er:CaF2、Na,Yb:CaF2-SrF2 和Y,Nd:CaF2、Y,Yb:CaF2、Sc,Nd:CaF2 等。Na+,Yb3+:CaF2晶体首次实现TW级激光输出；Nd,Y:CaF2晶体实现103fs激光输出，而且，该晶体通过调整掺杂离子的组成可以获得与钕玻璃基本一致的光谱性能（发射波长1053nm、截面3.5*10-20cm2、寿命330µs等），由于其热导率（9.7 W/mK）比钕玻璃高一个数量级、二价非线性系数（n2=0.43）更低、单晶尺寸大（国际上CaF2单晶最大尺寸可达400mm），可以满足惯性约束核聚变（ICF）激光系统重频（>10 Hz）运转对激光介质的需求，因而具有良好的应用前景。