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稀土在激光晶體中的應用及發(fā)展
一、激光晶體的重要性及其前景
六十年代激光器的出現(xiàn)，開創(chuàng)了光學領域的嶄新局面，促進了光電技術的進程和發(fā)展。激光技術是光電子技術的核心組成部分，而激光晶體是激光器的工作物質。自1960年臺紅寶石激光器問世以后，人們對激光工作物質進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)展過程，固體激光晶體己從初幾種基質晶體發(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)國外有關資料，世界激光器具有持續(xù)穩(wěn)定增長的市場前景。多年來各國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，采用新技術和降低成本的措施，并結合用戶市場的需求開發(fā)新產(chǎn)品，尤其自1996豐以來，激光器市場，包括材料加工、醫(yī)療、通訊等迅速擴大，銷售持續(xù)穩(wěn)定的增長。據(jù)BCC公司的統(tǒng)計表明，按平均年增長12.1％計，僅美國激光材料和元部件市場從1996年的4.763億美元將達到2000年的7.653億美元。
二十一世紀是信息化的世紀，光電子技術是信息社會發(fā)展的強大推動力，因此，光電子產(chǎn)業(yè)一直被認為是下世紀的重要支柱產(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％的年平均速度發(fā)展，而材料的研究和開發(fā)是光電子技術發(fā)展的先導和基礎，因此具有廣闊的發(fā)展前景。作為重要的光電子材料，激光晶體從科學研究到工業(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和激活離子組成。激光晶體的激光性能與晶體基質、激活離子的特性關系極大。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。可見稀土在發(fā)展激光晶體材料中的重要作用。
在稀土元素中已實現(xiàn)激光輸出的有Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb共11個三價離子和Sm、Dy、Tm三個二價離子。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*的激活離子，為高新科技提供了很多性能*的高功率、LD泵浦、可調諧、新波長等摻稀土激光晶體。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重要，應用廣，用量大。國外早已投入生產(chǎn)，在美國Nd：YAG晶體已經(jīng)商品化，新產(chǎn)品質量穩(wěn)定，占領大部分市場。可調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。目前為有效的和可連續(xù)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晶體均已享譽市場，據(jù)估計其產(chǎn)品目前占市場的l／3。
在稀土激活離子中常用的是Nd離子，它輸出波長為1.06μm。多年來人們一直在進行新波長激光晶體的探索工作。其中比較成功并獲得實際應用的有摻Er和Ho的激光晶體。這些晶體輸出的波長對人眼安全，大氣傳輸特性好，對戰(zhàn)場的煙霧穿透能力強，保密性好，適合軍用。而且其波長容易被水吸收，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)展前景
1．稀土在晶體中的應用前景
Nd：YAG晶體具有光學均勻性好，機械強度高，物化性能穩(wěn)定，導熱系數(shù)高，激光性能良好及生長工藝成熟等優(yōu)點。正是由于Nd：YAG晶體具有這些優(yōu)良的性能，并可在室溫下可實現(xiàn)脈沖和連續(xù)等多種方式的運轉，所以它在軍事、工業(yè)和醫(yī)療等方面獲得了廣泛的應用，是目前固體激光材料中用量大的激光晶體。在軍事方面，Nd：YAG晶體是應用廣泛的固體激光器的工作物質，是軍用固體激光技術的支柱。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的。
在工業(yè)領域，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。*用于材料加工的激光器銷售額持續(xù)增長，其中高功率激光器的銷售保持強勁勢頭，其主要原因是*汽車制造商繼續(xù)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(jù)Laser FocusWorld的統(tǒng)計，1997年*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，銷售額預計增長8％，達3.12億美元。
醫(yī)學和醫(yī)療領域，也一直是Nd：YAG激光器的重要應用之一，在所有激光醫(yī)療設備中，Nd：YAG激光醫(yī)療設備都得到廣泛的應用。這不僅因其重復頻率和平均功率較高。更主要是其1.06μm波長可用石英光纖導光，因此能夠被柔軟的傳輸線傳輸功率。根據(jù)LaserFocusWorld的統(tǒng)計，*固體激光器在醫(yī)療方面的應用，1997年銷售額為1.59億美元，1998年銷售額為2.7億美元，1999年銷售額預計達3.1億美元。