稀土在激光晶體中的應(yīng)用及發(fā)展遠景

稀土在激光晶體中的應(yīng)用及發(fā)展遠景
一、激光晶體的重要性及其遠景

六十年代激光器的出現(xiàn)，開創(chuàng)了光學(xué)領(lǐng)域的嶄新局面，促進了光電技術(shù)的進程和發(fā)展。激光技術(shù)是光電子技術(shù)的核心組成部分，而激光晶體是激光器的工作物質(zhì)。自1960年第一臺紅寶石激光器問世以后，人們對激光工作物質(zhì)進行了廣泛深進的研究與探索。固體激光晶體經(jīng)歷了六十年代的起步，七十年代的探索，八十年代的發(fā)展過程，固體激光晶體己從最初幾種基質(zhì)晶體發(fā)展到常見的數(shù)十種。作為固體激光器的主體，激光晶體發(fā)展成固體激光技術(shù)的重要支柱。正是由于激光晶體具有如此的重要性，才使其成為具有廣闊發(fā)展遠景的固體激光材料。根據(jù)國外有關(guān)資料，世界激光用具有持續(xù)穩(wěn)定增長的市場遠景。多年來各國政府在撥款方面逐漸減少，迫使各企業(yè)努力開發(fā)民用產(chǎn)品，采用新技術(shù)和降低本錢的措施，并結(jié)適用戶市場的需求開發(fā)新產(chǎn)品，尤其自1996豐以來，激光器市場，包括材料加工、醫(yī)療、通訊等迅速擴大，銷售持續(xù)穩(wěn)定的增長。據(jù)BCC公司的統(tǒng)計表明，按均勻年增長12.1％計，僅美國激光材料和元部件市場從1996年的4.763億美元將達到2000年的7.653億美元。 電阻計| 電表| 鉗表| 高斯計| 電磁場測試儀| 電源供應(yīng)器| 電能質(zhì)量分析儀| 多功能測試儀| 電容表| 電力分析儀|

二十一世紀(jì)是信息化的世紀(jì)，光電子技術(shù)是信息社會發(fā)展的強大推動力，因此，光電子產(chǎn)業(yè)一直被以為是來世紀(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)。特別是很多傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)在金融風(fēng)暴的沖擊下紛紛不支倒地，更使微電子和光電子等高科技產(chǎn)業(yè)支撐經(jīng)濟增長的角色日益突出。在近二十年內(nèi)，光電子產(chǎn)業(yè)將以30―60％的年均勻速度發(fā)展，而材料的研究和開發(fā)是光電子技術(shù)發(fā)展的先導(dǎo)和基礎(chǔ)，因此具有廣闊的發(fā)展遠景。作為重要的光電子材料，激光晶體從科學(xué)研究到產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)，從軍用到民用，應(yīng)用范圍很廣。目前90％左右的激光晶體是摻進稀土作為激活離子的。因此，稀土在激光晶體中已經(jīng)成為一族很重要的元素。由此可見，激光晶體的巨大發(fā)展將推動稀土的廣泛應(yīng)用。

二、稀土在激光晶體中的應(yīng)用

激光晶體是由晶體基質(zhì)和激活離子組成。激光晶體的激光性能與晶體基質(zhì)、激活離子的特性關(guān)系極大。目前已知的激光晶體，大致可以分為氟化物晶體、含氧酸鹽晶體和氧化物晶體三大類。激活離子可分為過渡金屬離子、稀土離子及錒系離子。目前已知的約320種激光晶體中，約290種是摻進稀土作為激活離子的�？梢娤⊥猎诎l(fā)展激光晶體材料中的重要作用。

在稀土元素中已實現(xiàn)激光輸出的有Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb共11個三價離子和Sm、Dy、Tm三個二價離子。稀土的激光性能是由于稀土離子的4f電子在不同能級之間的躍遷而產(chǎn)生的。由于很多稀土離子具有豐富的能級和他們的4f電子的躍遷，使稀土成為激光晶體不可缺少的激活離子，為高新科技提供了很多性能優(yōu)越的高功率、LD泵浦、可調(diào)諧、新波長等摻稀土激光晶體。高功率摻稀土激光晶體主要有摻釹釔鋁石榴石(Nd：YAG)、摻釹鋁酸釔(Nd：YAP)、摻鋁釓稼石榴石(Nd：GGG)和摻釹鋁酸鎂鑭(Nd：LMA)等。其中，Nd：YAG最重要，應(yīng)用最廣，用量最大。國外早已投進生產(chǎn)，在美國Nd：YAG晶體已經(jīng)商品化，新產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，占領(lǐng)國際大部分市場。可調(diào)諧激光晶體同樣很引人注目。利用Ce離子的寬帶躍遷，從Ce：YLF和Ce：LaF3等晶體中獲得可調(diào)諧的紫外激光。目前最為有效的和可連續(xù)調(diào)諧的紫外激光晶體是Ce：LiCAF、Ce：LiSAF。
用于LD泵浦激光器的晶體主要有Nd：YVO4、Nd：YAG、Nd：YLF等，其它合適的泵浦的晶體還有Yb：YAG等。我國的YVO4、Nd：YVO4晶體均已享譽國際市場，據(jù)估計其產(chǎn)品目前占國際市場的l／3。

在稀土激活離子中常用的是Nd離子，它輸出波長為1.06μm。多年來人們一直在進行新波長激光晶體的探索工作。其中比較成功并獲得實際應(yīng)用的有摻Er和Ho的激光晶體。這些晶體輸出的波長對人眼安全，大氣傳輸特性好，對戰(zhàn)場的煙霧穿透能力強，保密性好，適合軍用。而且其波長輕易被水吸收，更適合于激光醫(yī)療，在表面脫水和生物工程等方面，也將獲得應(yīng)用。目前我國對Ho：Cr：Tm：YAG、Er：YAG和Ho：Er：Tm：YLF已有小批量試制能力，但末形成批量產(chǎn)品。

三、稀土的發(fā)展遠景

1．稀土在晶體中的應(yīng)用遠景 

Nd：YAG晶體具有光學(xué)均勻性好，機械強度高，物化性能穩(wěn)定，導(dǎo)熱系數(shù)高，激光性能良好及生長工藝成熟等優(yōu)點。正是由于Nd：YAG晶體具有這些優(yōu)良的性能，并可在室溫下可實現(xiàn)脈沖和連續(xù)等多種方式的運轉(zhuǎn)，所以它在軍事、產(chǎn)業(yè)和醫(yī)療等方面獲得了廣泛的應(yīng)用，是目前固體激光材料中用量最大的激光晶體。在軍事方面，Nd：YAG晶體是應(yīng)用最廣泛的固體激光器的工作物質(zhì)，是軍用固體激光技術(shù)的支柱。目前90％以上的軍用固體激光器是以Nd：YAG激光晶體為工作物質(zhì)的。

在產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，Nd：YAG晶體由于能獲得高功率激光輸出而廣泛應(yīng)用于材料加工。全世界用于材料加工的激光器銷售額持續(xù)增長，其中高功率激光器的銷售保持強勁勢頭，其主要原因是全世界汽車制造商繼續(xù)推出新型號，零部件更多采用激光加工，而且激光加工逐漸從使用C02激光器轉(zhuǎn)向采用Nd：YAG激光器。根據(jù)Laser FocusWorld的統(tǒng)計，1997年全世界用于材料加工的Nd：YAG激光器，銷售額為1.17億美元，1998年用于材料加工的Nd：YAG激光器，銷售額2.89億美元，1999年用于材料加工的Nd：YAG激光器，銷售額預(yù)計增長8％，達3.12億美元。

醫(yī)學(xué)和醫(yī)療領(lǐng)域，也一直是Nd：YAG激光器的重要應(yīng)用之一，在所有激光醫(yī)療設(shè)備中，Nd：YAG激光醫(yī)療設(shè)備都得到廣泛的應(yīng)用。這不僅因其重復(fù)頻率和均勻功率較高。更主要是其1.06μm波長可用石英光纖導(dǎo)光，因此能夠被柔軟的傳輸線傳輸功率。根據(jù)LaserFocusWorld的統(tǒng)計，全世界固體激光器在醫(yī)療方面的應(yīng)用，1997年銷售額為1.59億美元，1998年銷售額為2.7億美元，1999年銷售額預(yù)計達3.1億美元。 

2、稀土在泵浦激光晶體中的應(yīng)用遠景

八十年代半導(dǎo)體激光器(LD)取得了重大進展，成為固體激光器的一種新型泵浦源�？捎枚�極管泵浦的激光晶體多種多樣，除了傳統(tǒng)的激光基質(zhì)YAG、YLF外，還有高增益YV04等，激活離子除傳統(tǒng)Nd離于外，還有Yb、Ho、Tm、Er離子等。Yb：YAG具有很多特點適合高功率LD泵浦，有可能發(fā)展成為重要的大功率LD泵浦用激光材料。Yb：S―FAP晶體將來有可能用于激光核聚變的激光材料，引起人們的關(guān)注。Tm：YAG、Ho，Tm：YLF、Ho：YLF激光晶體的發(fā)射波長適合在軍事上應(yīng)用。

3、稀土在可調(diào)諧激光晶體中的發(fā)展遠景

摻稀土的可調(diào)諧激光晶體中除上述的晶體以外，還有Cr，Yb，Ho：YSGG激光晶體等。Cr，Yb，Ho：YAGG激光晶體的波長在2.84―3.05μm之間連續(xù)可調(diào)。據(jù)統(tǒng)計世界上用的導(dǎo)彈紅外尋彈頭大部分是采用3―5μm的中波紅外探測器，因此研制Cr，Yb，Ho：YSGG激光晶體，可對于中紅外制導(dǎo)武器對抗提供有效的干擾源，具有深遠的軍事意義。另外，3―5μm的紅外光可以用來遠間隔探測化學(xué)物質(zhì)，因此可用于反化學(xué)戰(zhàn)和環(huán)境保護。

4、稀土在新波長激光晶體中的應(yīng)用遠景

鞏固發(fā)展已有的產(chǎn)品，如Ho：Cr：Tm：YAG、Ho：Er：Tm：YLF、Er：YAG等，進一步進步晶體質(zhì)量，實現(xiàn)大批量生產(chǎn)。同時要繼續(xù)加強開拓應(yīng)用價值大的激光新波段。

四、體會和建議

我國較早地開展了激光晶體的研究與生產(chǎn)，其中華北光電技術(shù)研究所是主要單位。華北光電技術(shù)研究所長期承擔(dān)軍工研究任務(wù)，擁有雄厚的科研能力，具有很強的產(chǎn)品開發(fā)能力，不僅在科研上取得很多成果，而且在科研成果的轉(zhuǎn)化上也作出了很大的成績。所獲得的最重要的科研成果Nd：YAG激光晶體己轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，1985年通過JYN一1型Nd：YAG激光棒設(shè)計定型鑒定，生長的毛坯直徑為30―35mm，1991年通過JYN一3型Nd：YAG激光棒設(shè)計定型鑒定，生長的毛坯直徑達到由40―45mm。而目前華北光電子技術(shù)研究所生長的Nd：YAG除毛坯直徑達到55―60mm，長度為210mm，并己初步形成規(guī)�；�生產(chǎn)成為銷售國內(nèi)外的重要產(chǎn)品。

在如前所述的激光晶體良好發(fā)展遠景下，進一步開拓稀土產(chǎn)品的國內(nèi)外市場，確立我國在國際稀土方面的地位，顯得尤為重要。我國擁有豐富的稀土礦產(chǎn)資源，在國際上享有一定的地位，相當(dāng)部分的稀土產(chǎn)品出口在國際上具有一定的競爭力。因此在這樣較高的發(fā)展出發(fā)點上，我國稀土廠家必須爭取主動，大力開發(fā)稀土氧化物的生產(chǎn)，除了滿足國內(nèi)市場需求外，還應(yīng)積極開發(fā)國外市場，推動我國稀土事業(yè)的發(fā)展，只有這樣才能鞏固我國已具有的稀土重要生產(chǎn)基地的地位，才能發(fā)展成為重要的稀土產(chǎn)品出口商。