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(jìn)了光電技術(shù)的進(jìn)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(jìn)行了廣泛深入的研究與探索,。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)展前景的固體激光材料,。根據(jù)國外有關(guān)資料,,世界激光器具有持續(xù)穩(wěn)定增長的市場前景。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)和降低成本的措施,并結(jié)合用戶市場的需求開發(fā)新產(chǎn)品,,尤其自1996年以來,,激光器市場,包括材料加工,、醫(yī)療,、通訊等迅速擴(kuò)大,銷售持續(xù)穩(wěn)定的增長,。據(jù)BCC公司的統(tǒng)計(jì)表明,,按平均年增長12.1%計(jì),僅美國激光材料和元部件市場從1996年的4.763億美元將達(dá)到2000年的7.653億美元,。
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(qiáng)大推動力,因此,,光電子產(chǎn)業(yè)一直被認(rèn)為是下世紀(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè),。特別是許多傳統(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(jì)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%的年平均速度發(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)展前景。作為重要的光電子材料,激光晶體從科學(xué)研究到工業(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入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種是摻入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(shí)現(xiàn)激光輸出的有Ce,、Pr,、Nd、Sm,、Eu,、Tb、Dy,、Ho,、Er、Tm,、Yb共11個(gè)三價(jià)離子和Sm,、Dy、Tm三個(gè)二價(jià)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,。國外早已投入生產(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(yù)國際市場,,據(jù)估計(jì)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(jìn)行新波長激光晶體的探索工作。其中比較成功并獲得實(shí)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(qiáng),,保密性好,,適合軍用。而且其波長容易被水吸收,,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)展前景
1.稀土在晶體中的應(yīng)用前景
Nd:YAG晶體具有光學(xué)均勻性好,,機(jī)械強(qiáng)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(diǎn),。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(shí)現(xiàn)脈沖和連續(xù)等多種方式的運(yùn)轉(zhuǎn),所以它在軍事,、工業(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,。
在工業(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(qiáng)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 Focus World的統(tǒng)計(jì),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(jì)增長8%,達(dá)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)頻率和平均功率較高。更主要是其1.06μm波長可用石英光纖導(dǎo)光,,因此能夠用柔軟的傳輸線傳輸功率,。根據(jù)Laser Focus World的統(tǒng)計(jì),,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(jì)達(dá)3.1億美元。
2,、稀土在泵浦激光晶體中的應(yīng)用前景
八十年代半導(dǎo)體激光器(LD)取得了重大進(jìn)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離子外,還有Yb,、Ho,、Tm、Er離子等,。Yb:YAG具有許多特點(diǎn)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)展前景
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(jì)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(yuǎn)的軍事意義,。另外,,3―5μm的紅外光可以用來遠(yuǎn)距離探測化學(xué)物質(zhì),因此可用于反化學(xué)戰(zhàn)和環(huán)境保護(hù),。
4,、稀土在新波長激光晶體中的應(yīng)用前景
鞏固發(fā)展已有的產(chǎn)品,如Ho:Cr:Tm:YAG,、Ho:Er:Tm:YLF,、Er:YAG等,進(jìn)一步提高晶體質(zhì)量,,實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn),。同時(shí)要繼續(xù)加強(qiáng)開拓應(yīng)用價(jià)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(qiáng)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(jì)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(jì)定型鑒定,,生長的毛坯直徑達(dá)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(dá)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)展前景下,,進(jìn)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)展起點(diǎn)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,。