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lfaitaoyao金蟲 (著名寫手)
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大約90%的激光材料都涉及稀土 你能不了解嗎？——轉(zhuǎn)自中國(guó)稀土網(wǎng) 已有5人參與
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激光是一種新型光源，它具有很好的單色性、方向性和相干性，并且可以達(dá)到很高的亮度。與激光技術(shù)相應(yīng)發(fā)展起來(lái)的各種晶體，如非線性晶體，能對(duì)激光束進(jìn)行調(diào)頻、調(diào)幅、調(diào)偏及調(diào)相作用；能修正傳輸過(guò)程中激光圖像的畸變；熱電探測(cè)晶體能靈敏地探測(cè)到紅外光等。這些特性使激光很快就應(yīng)用到工、農(nóng)、醫(yī)和國(guó)防部門。 激光與稀土激光材料是同時(shí)誕生的。到目前為止，大約90%的激光材料都涉及到稀土。自從1960年在紅寶石中出現(xiàn)激光以來(lái)，同年就發(fā)現(xiàn)用摻釤的氟化鈣(CaF2:Sm2+)可輸出脈沖激光。1961年首先使用摻釹的硅酸鹽玻璃獲得脈沖激光，從此開辟了具有廣泛用途的稀土玻璃激光器的研究。1962年首先使用CaWO4:Nd3+晶體輸出連續(xù)激光，1963年首先研制稀土螯合物液體激光材料，使用摻銪的苯酰丙酮的醇溶液獲得脈沖激光，1964年找出了室溫下可輸出連續(xù)激光的摻釹的釔鋁石榴石晶體（Y3Al5O12:Nd3+），它已成為目前獲得了廣泛應(yīng)用的固體激光材料，1973年首次實(shí)現(xiàn)銪-氦的稀土金屬蒸氣的激光振蕩。由此可見，在短短的十多年里，稀土的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)都實(shí)現(xiàn)了受激發(fā)射。在激光工作物質(zhì)中，稀土已成為一族很重要的元素。這都與它具有特殊的電子組態(tài)、眾多可利用的能級(jí)和光譜特性有關(guān)。 稀土激光材料可分為：固體、液體和氣體三大類。但后兩大類由于其性能、種類和用途等遠(yuǎn)不如固體材料。所以一般說(shuō)稀土激光材料通常是指固體激光材料。固體材料分為晶體、玻璃和光纖激光材料，而激光晶體又占主導(dǎo)地位。 一、稀土固態(tài)激光材料 1．稀土晶體激光材料 目前已知約有320種激光晶體，主要是含氧的化合物或含氟的化合物，其中約290種是摻入稀土作為激活離子的，即稀土激光晶體約占90.6%，稀土中已實(shí)現(xiàn)激光輸出的有Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb等，盡管激光晶體很多，但重要的只有數(shù)十種，而實(shí)用的更少。典型的、優(yōu)良的激光晶體有如下幾種：（1）稀土石榴石體系（YAG） YAG是目前國(guó)內(nèi)外研究、開發(fā)和應(yīng)用最活躍的體系，其中摻釹釔鋁石榴石晶體（YAG∶Nd）性能最好，用途最廣，產(chǎn)量最大。它用作重復(fù)頻率高的脈沖激光器。近年來(lái)開發(fā)了效率更高的摻釹和鉻的釓鈧鎵石榴石。 （2）摻Nd的鋁酸釔體系YAlO3∶Nd(YAP∶Nd) YAP屬正交晶系，具有各向異性，故可利用晶體的不同取向而得到不同的激光特性。另外YAP晶體的長(zhǎng)生速度比YAG快。輸出功率不易飽和。其缺點(diǎn)是在高溫下存在相不穩(wěn)定性，熱膨脹系數(shù)各向異性，致使晶體在生長(zhǎng)過(guò)程中易出現(xiàn)開裂、色心和散射顆粒等缺點(diǎn)。 （3）氟化鋰釔（YLF）激光材料 YLF是一種優(yōu)良的激光基質(zhì)，其中很多稀土激光離子都實(shí)現(xiàn)了激光輸出。它的優(yōu)點(diǎn)是受光輻照后，不產(chǎn)生色心而變色，基質(zhì)吸收的截止波長(zhǎng)移向短波。YLF：Nd晶體熒光壽命長(zhǎng)，發(fā)射截面積大，適合二極管的泵浦的激光晶體。 2．稀土玻璃激光材料 在玻璃中可產(chǎn)生激光的稀土激活離子比在晶體中少，目前已知有Nd、Er、Ho、Tm等三價(jià)離子。稀土玻璃激光材料的優(yōu)點(diǎn)是：易于制備，利用熱成型和冷加工工藝可制得不同大小尺寸和形狀的玻璃，靈活性比晶體大，既可拉成直徑小至微米的纖維，又可制成幾厘米直徑和幾米長(zhǎng)的棒或圓盤。稀土玻璃是目前輸出脈沖能量最大、輸出功率最高的固體激光材料，用這種激光材料制成的大型激光器用于熱核聚變的研究中。 ３．化學(xué)計(jì)量激光材料 在這類激光材料中，稀土激活離子不是以摻雜的形式加入的，而是作為晶體的組分之一。其潛在的應(yīng)用是用于集成光學(xué)、光通訊、測(cè)距，將來(lái)光計(jì)算機(jī)與半導(dǎo)體激光器將有一番競(jìng)爭(zhēng)。 4．稀土上轉(zhuǎn)換激光材料 目前實(shí)現(xiàn)的激光波長(zhǎng)主要是紅和紅外波段，極缺藍(lán)和綠激光波段，使激光的發(fā)展和應(yīng)用受到影響。除倍頻技術(shù)使長(zhǎng)波長(zhǎng)的激光轉(zhuǎn)變?yōu)槎滩ㄩL(zhǎng)激光外，近年來(lái)，人們利用發(fā)光學(xué)中的反斯托克斯效應(yīng)，大力發(fā)展上轉(zhuǎn)換激光材料，并使之達(dá)到實(shí)用化、商品化。 5．稀土光纖激光材料 隨著集成光學(xué)和光纖維通迅的發(fā)展，需要有微型的激光器和放大器。90年代起，信息高速公路對(duì)信息的傳輸提出了更高的要求，多媒體技術(shù)要求能同時(shí)傳送圖、文、聲、像，而且是高度清晰的聲、像。信息高速公路要達(dá)到象樣的高速，一般的光纖通信技術(shù)傳送信息的速度差之甚遠(yuǎn)，希望能以超高速、超長(zhǎng)距離方式傳送信息需要跨越許多技術(shù)上的障礙，其中之一就是如何補(bǔ)充在長(zhǎng)距離傳送過(guò)程中光衰減的能量。所以光信號(hào)直接放大就成為尚待解決的課題。其中摻鉺的光纖放大器能直接放大光信息，進(jìn)行大容量、長(zhǎng)距離通信，使光纖通信取得長(zhǎng)足發(fā)展。 近年來(lái)對(duì)摻鉺的光纖放大器的研制取得了很大的進(jìn)展。將鉺摻入普通石英光纖，再配以980納米、1480納米的兩種波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器，就基本構(gòu)成了直接擴(kuò)大1550納米光信號(hào)的光放大器。鉺從高能態(tài)躍遷至基態(tài)時(shí)發(fā)射的光補(bǔ)充了衰減的信號(hào)光，起到光放大的作用。為避免無(wú)用的吸收，光纖中鉺的摻雜量為幾十至幾百ppm，而且，在光密度高的芯的中心部分摻雜可獲得高增益。 二、稀土激光材料的應(yīng)用器件 1．YAG∶Nd激光器 這是用量最多、最成熟的激光晶體，對(duì)其需求占激光晶體的90%左右，在未來(lái)5年內(nèi)仍為主體。材料加工是激光器巨大市場(chǎng)之一。CO2激光器與YAG∶Nd激光器在材料加工方面銷售量之比為2∶1。 2．光存貯激光器 作為信息高速公路重要組成部分，市場(chǎng)潛力非常巨大，其中一部分屬于光存儲(chǔ)。提高存儲(chǔ)密度的方法是用更短波長(zhǎng)的激光，目前最佳選擇是808微米的LED泵浦YVO4∶Nd晶體。 3．2微米激光器 Ho和Tm激光器有很大的市場(chǎng)潛力。由于Ho和Tm激光輸出波長(zhǎng)在2微米左右，與水的吸收峰相接近，有極好的對(duì)人體組織切割和凝血效果，可以用普通光纖傳輸，是理想的手術(shù)激光光源。美國(guó)已批準(zhǔn)20多種2微米激光在醫(yī)療臨床使用�？芍委煻喾N疾病。2微米激光對(duì)人眼安全，大氣穿透好，可作為激光雷達(dá)光源，其綜合性能優(yōu)于YAG∶Nd和CO2激光器。 4．LED泵浦的固體激光器 LED泵浦固體激光器其效率比燈泵浦提高10倍，全固體化可靠性提高100倍，在光存儲(chǔ)、微細(xì)加工、有線電視、遙感、雷達(dá)等科研方面有巨大市場(chǎng)。LED泵浦激光材料目前主要有YAG∶Nd、YAG∶Tm、YVO4∶Nd、Y2SiO5∶Nd等。 三、稀土激光材料發(fā)展方向 稀土材料是激光系統(tǒng)的心臟，是激光技術(shù)的基礎(chǔ)，由激光而發(fā)展起來(lái)的光電子技術(shù)，不僅廣泛用于軍事，而且在國(guó)民經(jīng)濟(jì)許多領(lǐng)域，如光通訊、醫(yī)療、材料加工（切割、焊接、打孔、熱處理等）、信息儲(chǔ)存、科研、檢測(cè)和防偽等方面獲得廣泛應(yīng)用，形成新產(chǎn)業(yè)。在軍事上，稀土激光材料廣泛應(yīng)用于激光測(cè)距、制導(dǎo)、跟蹤、雷達(dá)、激光武器和光電子對(duì)抗、遙測(cè)、精密定位及光通訊等方面。提高和改變各軍種和兵種的作戰(zhàn)能力和方式，在戰(zhàn)術(shù)進(jìn)攻和防御中起重大作用。高功率激光材料可裝備激光致盲武器，以及光電對(duì)抗等武器。光發(fā)射二極管（LED）泵浦的激光晶體制成的激光器輸出光束質(zhì)量好，非線性移頻效率高，可把毫瓦級(jí)的激光移頻到藍(lán)光、綠光和紅光區(qū)，用于光存貯、顯示、遙感、雷達(dá)和科研等。1985～1986年全世界的激光器的銷售額從4.6億美元增加到1996年的15億美元。平均年增長(zhǎng)率為11%。激光產(chǎn)品銷售額的分布：美國(guó)占45%、歐洲占30%、太平洋地區(qū)占25%。銷售額占前六位應(yīng)用領(lǐng)域是材料加工、醫(yī)療、光通訊、科學(xué)研究、光存儲(chǔ)和測(cè)量設(shè)備。到下世紀(jì)初，光通訊、光存儲(chǔ)和信息高速公路等光電子技術(shù)將得到飛速發(fā)展。我國(guó)激光產(chǎn)業(yè)的銷售額從1985年的0.6億元上升到1994年的5.82億元。平均每年以32%的速度遞增。 |
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