稀土在激光晶體中的應(yīng)用.doc

稀土在激光晶體中的應(yīng)用及發(fā)展前景類別：行業(yè)動(dòng)態(tài) 發(fā)布時(shí)間：2008-1-25閱讀：945一、激光晶體的重要性及其前景 六十年代激光器的出現(xiàn)，開(kāi)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(jiàn)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(kāi)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(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，尤其自1996豐以來(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3060的年平均速度發(fā)展，而材料的研究和開(kāi)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(jiàn)，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?jiàn)稀土在發(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l3。 在稀土激活離子中常用的是Nd離子，它輸出波長(zhǎng)為1.06m。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1.06m波長(zhǎng)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)LaserFocus 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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：SFAP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2.843.05m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35m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，35m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(kāi)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(kāi)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(kāi)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3035mm，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4045mm。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5560mm，長(zhǎng)度為210mm，并己初步形成規(guī)模化生產(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(kāi)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