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。
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二十一世紀是信息化的世紀,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?烧{(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?捎枚䴓O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);a(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。