稀土在激光晶体中的应用及发展

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一、激光晶体的重要性及其前景
六十年代激光器的出现，开创了光学领域的崭新局面，促进了光电技术的进程和发展。激光技术是光电子技术的核心组成部分，而激光晶体是激光器的工作物质。自1960年第一台红宝石激光器问世以后，人们对激光工作物质进行了广泛深入的研究与探索。固体激光晶体经历了六十年代的起步，七十年代的探索，八十年代的发展过程，固体激光晶体己从最初几种基质晶体发展到常见的数十种。作为固体激光器的主体，激光晶体发展成固体激光技术的重要支柱。正是由于激光晶体具有如此的重要性，才使其成为具有广阔发展前景的固体激光材料。根据国外有关资料，世界激光器具有持续稳定增长的市场前景。多年来各国政府在拨款方面逐渐减少，迫使各企业努力开发民用产品，采用新技术和降低成本的措施，并结合用户市场的需求开发新产品，尤其自1996丰以来，激光器市场，包括材料加工、医疗、通讯等迅速扩大，销售持续稳定的增长。据BCC公司的统计表明，按平均年增长12.1％计，仅美国激光材料和元部件市场从1996年的4.763亿美元将达到2000年的7.653亿美元。
二十一世纪是信息化的世纪，光电子技术是信息社会发展的强大推动力，因此，光电子产业一直被认为是下世纪的重要支柱产业。特别是许多传统产业在金融风暴的冲击下纷纷不支倒地，更使微电子和光电子等高科技产业支撑经济增长的角色日益突出。在近二十年内，光电子产业将以30―60％的年平均速度发展，而材料的研究和开发是光电子技术发展的先导和基础，因此具有广阔的发展前景。作为重要的光电子材料，激光晶体从科学研究到工业生产，从军用到民用，应用范围很广。目前90％左右的激光晶体是掺入稀土作为激活离子的。因此，稀土在激光晶体中已经成为一族很重要的元素。由此可见，激光晶体的巨大发展将推动稀土的广泛应用。
二、稀土在激光晶体中的应用
激光晶体是由晶体基质和激活离子组成。激光晶体的激光性能与晶体基质、激活离子的特性关系极大。目前已知的激光晶体，大致可以分为氟化物晶体、含氧酸盐晶体和氧化物晶体三大类。激活离子可分为过渡金属离子、稀土离子及锕系离子。目前已知的约320种激光晶体中，约290种是掺入稀土作为激活离子的。可见稀土在发展激光晶体材料中的重要作用。
在稀土元素中已实现激光输出的有Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb共11个三价离子和Sm、Dy、Tm三个二价离子。稀土的激光性能是由于稀土离子的4f电子在不同能级之间的跃迁而产生的。由于很多稀土离子具有丰富的能级和他们的4f电子的跃迁，使稀土成为激光晶体不可缺少的激活离子，为高新科技提供了很多性能优越的高功率、LD泵浦、可调谐、新波长等掺稀土激光晶体。高功率掺稀土激光晶体主要有掺钕钇铝石榴石(Nd：YAG)、掺钕铝酸钇(Nd：YAP)、掺铝钆稼石榴石(Nd：GGG)和掺钕铝酸镁镧(Nd：LMA)等。其中，Nd：YAG最重要，应用最广，用量最大。国外早已投入生产，在美国Nd：YAG晶体已经商品化，新产品质量稳定，占领国际大部分市场。可调谐激光晶体同样很引人注目。利用Ce离子的宽带跃迁，从Ce：YLF和Ce：LaF3等晶体中获得可调谐的紫外激光。目前最为有效的和可连续调谐的紫外激光晶体是Ce：LiCAF、Ce：LiSAF。
用于LD泵浦激光器的晶体主要有Nd：YVO4、Nd：YAG、Nd：YLF等，其它合适的泵浦的晶体还有Yb：YAG等。我国的YVO4、Nd：YVO4晶体均已享誉国际市场，据估计其产品目前占国际市场的l／3。
在稀土激活离子中常用的是Nd离子，它输出波长为1.06μm。多年来人们一直在进行新波长激光晶体的探索工作。其中比较成功并获得实际应用的有掺Er和Ho的激光晶体。这些晶体输出的波长对人眼安全，大气传输特性好，对战场的烟雾穿透能力强，保密性好，适合军用。而且其波长容易被水吸收，更适合于激光医疗，在表面脱水和生物工程等方面，也将获得应用。目前我国对Ho：Cr：Tm：YAG、Er：YAG和Ho：Er：Tm：YLF已有小批量试制能力，但末形成批量产品。
三、稀土的发展前景
1.稀土在晶体中的应用前景
Nd：YAG晶体具有光学均匀性好，机械强度高，物化性能稳定，导热系数高，激光性能良好及生长工艺成熟等优点。正是由于Nd：YAG晶体具有这些优良的性能，并可在室温下可实现脉冲和连续等多种方式的运转，所以它在军事、工业和医疗等方面获得了广泛的应用，是目前固体激光材料中用量最大的激光晶体。在军事方面，Nd：YAG晶体是应用最广泛的固体激光器的工作物质，是军用固体激光技术的支柱。目前90％以上的军用固体激光器是以Nd：YAG激光晶体为工作物质的。
在工业领域，Nd：YAG晶体由于能获得高功率激光输出而广泛应用于材料加工。全世界用于材料加工的激光器销售额持续增长，其中高功率激光器的销售保持强劲势头，其主要原因是全世界汽车制造商继续推出新型号，零部件更多采用激光加工，而且激光加工逐渐从使用C02激光器转向采用Nd：YAG激光器。根据LaserFocusWorld的统计，1997年全世界用于材料加工的Nd：YAG激光器，销售额为1.17亿美元，1998年用于材料加工的Nd：YAG激光器，销售额2.89亿美元，1999年用于材料加工的Nd：YAG激光器，销售额预计增长8％，达3.12亿美元。
医学和医疗领域，也一直是Nd：YAG激光器的重要应用之一，在所有激光医疗设备中，Nd：YAG激光医疗设备都得到广泛的应用。这不仅因其重复频率和平均功率较高。更主要是其1.06μm波长可用石英光纤导光，因此能够被柔软的传输线传输功率。根据统计，全世界固体激光器在医疗方面的应用，1997年销售额为1.59亿美元，1998年销售额为2.7亿美元，1999年销售额预计达3.1亿美元。
2.稀土在泵浦激光晶体中的应用前景
八十年代半导体激光器(LD)取得了重大进展，成为固体激光器的一种新型泵浦源。可用二极管泵浦的激光晶体多种多样，除了传统的激光基质YAG、YLF外，还有高增益YV04等，激活离子除传统Nd离于外，还有Yb、Ho、Tm、Er离子等。Yb：YAG具有许多特点适合高功率LD泵浦，有可能发展成为重要的大功率LD泵浦用激光材料。Yb：S―FAP晶体将来有可能用于激光核聚变的激光材料，引起人们的关注。Tm：YAG、Ho，Tm：YLF、Ho：YLF激光晶体的发射波长适合在军事上应用。
3、稀土在可调谐激光晶体中的发展前景
掺稀土的可调谐激光晶体中除上述的晶体以外，还有Cr，Yb，Ho：YSGG激光晶体等。Cr，Yb，Ho：YAGG激光晶体的波长在2.84―3.05μm之间连续可调。据统计世界上用的导弹红外寻弹头大部分是采用3―5μm的中波红外探测器，因此研制Cr，Yb，Ho：YSGG激光晶体，可对于中红外制导武器对抗提供有效的干扰源，具有深远的军事意义。另外，3―5μm的红外光可以用来远距离探测化学物质，因此可用于反化学战和环境保护。
4.稀土在新波长激光晶体中的应用前景
巩固发展已有的产品，如Ho：Cr：Tm：YAG、Ho：Er：Tm：YLF、Er：YAG等，进一步提高晶体质量，实现大批量生产。同时要继续加强开拓应用价值大的激光新波段。