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(tái)紅寶石激光器問(wèn)世以后,人們對(duì)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(guò)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(guó)外有關(guān)資料,世界激光器具有持續(xù)穩(wěn)定增長(zhǎng)的市場(chǎng)前景。多年來(lái)各國(guó)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(chǎng)的需求開發(fā)新產(chǎn)品,尤其自1996年以來(lái),激光器市場(chǎng),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(zhǎng)。據(jù)BCC公司的統(tǒng)計(jì)表明,按平均年增長(zhǎng)12.1%計(jì),僅美國(guó)激光材料和元部件市場(chǎng)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(huì)發(fā)展的強(qiáng)大推動(dòng)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(zhǎng)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(dòng)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(guò)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(jí)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(jí)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(zhǎng)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(guó)外早已投入生產(chǎn),在美國(guó)Nd:YAG晶體已經(jīng)商品化,新產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定,占領(lǐng)國(guó)際大部分市場(chǎng)?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(guó)的YVO4、Nd:YVO4晶體均已享譽(yù)國(guó)際市場(chǎng),據(jù)估計(jì)其產(chǎn)品目前占國(guó)際市場(chǎng)的l/3。
在稀土激活離子中常用的是Nd離子,它輸出波長(zhǎng)為1.06μm。多年來(lái)人們一直在進(jìn)行新波長(zhǎng)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(zhǎng)對(duì)人眼安全,大氣傳輸特性好,對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)的煙霧穿透能力強(qiáng),保密性好,適合軍用。而且其波長(zhǎng)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(guó)對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng),其中高功率激光器的銷售保持強(qiáng)勁勢(shì)頭,其主要原因是全世界汽車制造商繼續(xù)推出新型號(hào),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(zhǎng)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(zhǎng)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(lái)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(zhǎng)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(zhǎng)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(cè)器,因此研制Cr,Yb,Ho:YSGG激光晶體,可對(duì)于中紅外制導(dǎo)武器對(duì)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(lái)遠(yuǎn)距離探測(cè)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(zhǎng)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(huì)和建議
我國(guó)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(zhǎng)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(jī)。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(guò)JYN一1型Nd:YAG激光棒設(shè)計(jì)定型鑒定,生長(zhǎng)的毛坯直徑為30―35mm,1991年通過(guò)JYN一3型Nd:YAG激光棒設(shè)計(jì)定型鑒定,生長(zhǎng)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(zhǎng)的Nd:YAG除毛坯直徑達(dá)到55―60mm,長(zhǎng)度為210mm,并己初步形成規(guī);a(chǎn)成為銷售國(guó)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(guó)內(nèi)外市場(chǎng),確立我國(guó)在國(guó)際稀土方面的地位,顯得尤為重要。我國(guó)擁有豐富的稀土礦產(chǎn)資源,在國(guó)際上享有一定的地位,相當(dāng)部分的稀土產(chǎn)品出口在國(guó)際上具有一定的競(jìng)爭(zhēng)力。因此在這樣較高的發(fā)展起點(diǎn)上,我國(guó)稀土廠家必須爭(zhēng)取主動(dòng),大力開發(fā)稀土氧化物的生產(chǎn),除了滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求外,還應(yīng)積極開發(fā)國(guó)外市場(chǎng),推動(dòng)我國(guó)稀土事業(yè)的發(fā)展,只有這樣才能鞏固我國(guó)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。