稀土在激光晶體中的應用及發(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，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年第一臺紅寶石激光器問(wèn)世以后，人們對激光工作物質(zhì)進(jìn)行了廣泛深進(jìn)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。根據國外有關(guān)資料，世界激光用具有持續穩定增長(cháng)的市場(chǎng)遠景。多年來(lái)各國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)和降低本錢(qián)的措施，并結適用戶(hù)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、醫療、通訊等迅速擴大，銷(xiāo)售持續穩定的增長(cháng)。據BCC公司的統計表明，按均勻年增長(cháng)12.1％計，僅美國激光材料和元部件市場(chǎng)從1996年的4.763億美元將達到2000年的7.653億美元。 電阻計| 電表| 鉗表| 高斯計| 電磁場(chǎng)測試儀| 電源供應器| 電能質(zhì)量分析儀| 多功能測試儀| 電容表| 電力分析儀|

二十一世紀是信息化的世紀，光電子技術(shù)是信息社會(huì )發(fā)展的強大推動(dòng)力，因此，光電子產(chǎn)業(yè)一直被以為是來(lái)世紀的重要支柱產(chǎn)業(yè)。特別是很多傳統產(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(cháng)的角色日益突出。在近二十年內，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(kāi)發(fā)是光電子技術(shù)發(fā)展的先導和基礎，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，應用范圍很廣。目前90％左右的激光晶體是摻進(jìn)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)稀土的廣泛應用。

二、稀土在激光晶體中的應用

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(lèi)。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種是摻進(jìn)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、可調諧、新波長(cháng)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，應用最廣，用量最大。國外早已投進(jìn)生產(chǎn)，在美國Nd：YAG晶體已經(jīng)商品化，新產(chǎn)品質(zhì)量穩定，占領(lǐng)國際大部分市場(chǎng)�？烧{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等晶體中獲得可調諧的紫外激光。目前最為有效的和可連續調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(chǎng)，據估計其產(chǎn)品目前占國際市場(chǎng)的l／3。

在稀土激活離子中常用的是Nd離子，它輸出波長(cháng)為1.06μm。多年來(lái)人們一直在進(jìn)行新波長(cháng)激光晶體的探索工作。其中比較成功并獲得實(shí)際應用的有摻Er和Ho的激光晶體。這些晶體輸出的波長(cháng)對人眼安全，大氣傳輸特性好，對戰場(chǎng)的煙霧穿透能力強，保密性好，適合軍用。而且其波長(cháng)輕易被水吸收，更適合于激光醫療，在表面脫水和生物工程等方面，也將獲得應用。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，物化性能穩定，導熱系數高，激光性能良好及生長(cháng)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)現脈沖和連續等多種方式的運轉，所以它在軍事、產(chǎn)業(yè)和醫療等方面獲得了廣泛的應用，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用于材料加工。全世界用于材料加工的激光器銷(xiāo)售額持續增長(cháng)，其中高功率激光器的銷(xiāo)售保持強勁勢頭，其主要原因是全世界汽車(chē)制造商繼續推出新型號，零部件更多采用激光加工，而且激光加工逐漸從使用C02激光器轉向采用Nd：YAG激光器。根據Laser FocusWorld的統計，1997年全世界用于材料加工的Nd：YAG激光器，銷(xiāo)售額為1.17億美元，1998年用于材料加工的Nd：YAG激光器，銷(xiāo)售額2.89億美元，1999年用于材料加工的Nd：YAG激光器，銷(xiāo)售額預計增長(cháng)8％，達3.12億美元。

醫學(xué)和醫療領(lǐng)域，也一直是Nd：YAG激光器的重要應用之一，在所有激光醫療設備中，Nd：YAG激光醫療設備都得到廣泛的應用。這不僅因其重復頻率和均勻功率較高。更主要是其1.06μm波長(cháng)可用石英光纖導光，因此能夠被柔軟的傳輸線(xiàn)傳輸功率。根據LaserFocusWorld的統計，全世界固體激光器在醫療方面的應用，1997年銷(xiāo)售額為1.59億美元，1998年銷(xiāo)售額為2.7億美元，1999年銷(xiāo)售額預計達3.1億美元。 

2、稀土在泵浦激光晶體中的應用遠景

八十年代半導體激光器(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�極管泵浦的激光晶體多種多樣，除了傳統的激光基質(zhì)YAG、YLF外，還有高增益YV04等，激活離子除傳統Nd離于外，還有Yb、Ho、Tm、Er離子等。Yb：YAG具有很多特點(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(cháng)適合在軍事上應用。

3、稀土在可調諧激光晶體中的發(fā)展遠景

摻稀土的可調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(cháng)在2.84―3.05μm之間連續可調。據統計世界上用的導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(lái)遠間隔探測化學(xué)物質(zhì)，因此可用于反化學(xué)戰和環(huán)境保護。

4、稀土在新波長(cháng)激光晶體中的應用遠景

鞏固發(fā)展已有的產(chǎn)品，如Ho：Cr：Tm：YAG、Ho：Er：Tm：YLF、Er：YAG等，進(jìn)一步進(jìn)步晶體質(zhì)量，實(shí)現大批量生產(chǎn)。同時(shí)要繼續加強開(kāi)拓應用價(jià)值大的激光新波段。

四、體會(huì )和建議

我國較早地開(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(cháng)期承擔軍工研究任務(wù)，擁有雄厚的科研能力，具有很強的產(chǎn)品開(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化上也作出了很大的成績(jì)。所獲得的最重要的科研成果Nd：YAG激光晶體己轉化為產(chǎn)品，1985年通過(guò)JYN一1型Nd：YAG激光棒設計定型鑒定，生長(cháng)的毛坯直徑為30―35mm，1991年通過(guò)JYN一3型Nd：YAG激光棒設計定型鑒定，生長(cháng)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(cháng)的Nd：YAG除毛坯直徑達到55―60mm，長(cháng)度為210mm，并己初步形成規�；�生產(chǎn)成為銷(xiāo)售國內外的重要產(chǎn)品。

在如前所述的激光晶體良好發(fā)展遠景下，進(jìn)一步開(kāi)拓稀土產(chǎn)品的國內外市場(chǎng)，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(diǎn)上，我國稀土廠(chǎng)家必須爭取主動(dòng)，大力開(kāi)發(fā)稀土氧化物的生產(chǎn)，除了滿(mǎn)足國內市場(chǎng)需求外，還應積極開(kāi)發(fā)國外市場(chǎng)，推動(dòng)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。