【知識】稀土在鐳射晶體中的應用及發展前景

一、鐳射晶體的重要性及其前景

六十年代雷射器的出現，開創了光學領域的嶄新局面，促進了光電技術的進程和發展。雷射技術是光電子技術的核心組成部分，而鐳射晶體是雷射器的工作物質。自1960年第一台紅寶石雷射器問世以後，人們對鐳射工作物質進行了廣泛深入的研究與探索。固體鐳射晶體經歷了六十年代的起步，七十年代的探索，八十年代的發展過程，固體鐳射晶體己從最初幾種基質晶體發展到常見的數十種。作為固體雷射器的主體，鐳射晶體發展成固體雷射技術的重要支柱。正是由於鐳射晶體具有如此的重要性，才使其成為具有廣闊發展前景的固體鐳射材料。根據國外有關資料，世界鐳射器具有持續穩定增長的市場前景。多年來各國政府在撥款方面逐漸減少，迫使各企業努力開發民用產品，採用新技術和降低成本的措施，並結合用戶市場的需求開發新產品，尤其自1996年以來，雷射器市場，包括材料加工、醫療、通訊等迅速擴大，銷售持續穩定的增長。據BCC公司的統計表明，按平均年增長12.1％計，僅美國鐳射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。

二十一世紀是資訊化的世紀，光電子技術是資訊社會發展的強大推動力，因此，光電子產業一直被認為是下世紀的重要支柱產業。特別是許多傳統產業在金融風暴的衝擊下紛紛不支倒地，更使微電子和光電子等高科技產業支撐經濟增長的角色日益突出。在近二十年內，光電子產業將以30―60％的年平均速度發展，而材料的研究和開發是光電子技術發展的先導和基礎，因此具有廣闊的發展前景。作為重要的光電子材料，鐳射晶體從科學研究到工業生產，從軍用到民用，應用範圍很廣。目前90％左右的鐳射晶體是摻入稀土作為啟動離子的。因此，稀土在鐳射晶體中已經成為一族很重要的元素。由此可見，鐳射晶體的巨大發展將推動稀土的廣泛應用。

二、稀土在鐳射晶體中的應用

鐳射晶體是由晶體基質和啟動離子組成。鐳射晶體的鐳射性能與晶體基質、啟動離子的特性關係極大。目前已知的鐳射晶體，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。啟動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種鐳射晶體中，約290種是摻入稀土作為啟動離子的。可見稀土在發展鐳射晶體材料中的重要作用。

在稀土元素中已實現鐳射輸出的有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。稀土的鐳射性能是由於稀土離子的4f電子在不同能級之間的躍遷而產生的。由於很多稀土離子具有豐富的能級和他們的4f電子的躍遷，使稀土成為鐳射晶體不可缺少的啟動離子，為高新科技提供了很多性能優越的高功率、LD泵浦、可調諧、新波長等摻稀土鐳射晶體。高功率摻稀土鐳射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。國外早已投入生產，在美國Nd：YAG晶體已經商品化，新產品品質穩定，佔領國際大部分市場。可調諧鐳射晶體同樣很引人注目。利用Ce離子的寬頻躍遷，從Ce：YLF和Ce：LaF3等晶體中獲得可調諧的紫外鐳射。目前最為有效的和可連續調諧的紫外鐳射晶體是Ce：LiCAF、Ce：LiSAF。

用於LD泵浦雷射器的晶體主要有Nd：YVO4、Nd：YAG、Nd：YLF等，其他合適的泵浦的晶體還有Yb：YAG等。我國的YVO4、Nd：YVO4晶體均已享譽國際市場，據估計其產品目前占國際市場的l/3。

在稀土啟動離子中常用的是Nd離子，它輸出波長為1.06μm。多年來人們一直在進行新波長鐳射晶體的探索工作。其中比較成功並獲得實際應用的有摻Er和Ho的鐳射晶體。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，更適合於鐳射醫療，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已有小批量試製能力，但末形成批量產品。

三、稀土的發展前景

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，物化性能穩定，導熱係數高，鐳射性能良好及生長工藝成熟等優點。正是由於Nd：YAG晶體具有這些優良的性能，並可在室溫下可實現脈衝和連續等多種方式的運轉，所以它在軍事、工業和醫療等方面獲得了廣泛的應用，是目前固體鐳射材料中用量最大的鐳射晶體。在軍事方面，Nd：YAG晶體是應用最廣泛的固體雷射器的工作物質，是軍用固體雷射技術的支柱。目前90％以上的軍用固體雷射器是以Nd：YAG鐳射晶體為工作物質的。

在工業領域，Nd：YAG晶體由於能獲得高功率鐳射輸出而廣泛應用於材料加工。全世界用於材料加工的雷射器銷售額持續增長，其中高功率雷射器的銷售保持強勁勢頭，其主要原因是全世界汽車製造商繼續推出新型號，零部件更多採用鐳射加工，而且鐳射加工逐漸從使用C02雷射器轉向採用Nd：YAG雷射器。根據Laser Focus World的統計，1997年全世界用於材料加工的Nd：YAG雷射器，銷售額為1.17億美元，1998年用於材料加工的Nd：YAG雷射器，銷售額2.89億美元，1999年用於材料加工的Nd：YAG雷射器，銷售額預計增長8％，達3.12億美元。

醫學和醫療領域，也一直是Nd：YAG雷射器的重要應用之一，在所有鐳射醫療設備中，Nd：YAG鐳射醫療設備都得到廣泛的應用。這不僅因其重複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，因此能夠用柔軟的傳輸線傳輸功率。根據Laser Focus World的統計，全世界固體雷射器在醫療方面的應用，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。

2、稀土在泵浦鐳射晶體中的應用前景

八十年代半導體雷射器(LD)取得了重大進展，成為固體雷射器的一種新型泵浦源。可用二極體泵浦的鐳射晶體多種多樣，除了傳統的鐳射基質YAG、YLF外，還有高增益YV04等，啟動離子除傳統Nd離子外，還有Yb、Ho、Tm、Er離子等。Yb：YAG具有許多特點適合高功率LD泵浦，有可能發展成為重要的大功率LD泵浦用鐳射材料。Yb：S―FAP晶體將來有可能用於鐳射核聚變的鐳射材料，引起人們的關注。Tm：YAG、Ho，Tm：YLF、Ho：YLF鐳射晶體的發射波長適合在軍事上應用。

3、稀土在可調諧鐳射晶體中的發展前景

摻稀土的可調諧鐳射晶體中除上述的晶體以外，還有Cr，Yb，Ho：YSGG鐳射晶體等。Cr，Yb，Ho：YAGG鐳射晶體的波長在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採用3―5μm的中波紅外探測器，因此研製Cr，Yb，Ho：YSGG鐳射晶體，可對於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的紅外光可以用來遠距離探測化學物質，因此可用于反化學戰和環境保護。

4、稀土在新波長鐳射晶體中的應用前景

鞏固發展已有的產品，如Ho：Cr：Tm：YAG、Ho：Er：Tm：YLF、Er：YAG等，進一步提高晶體品質，實現大批量生產。同時要繼續加強開拓應用價值大的鐳射新波段。

四、體會和建議

我國較早地開展了鐳射晶體的研究與生產，其中華北光電技術研究所是主要單位。華北光電技術研究所長期承擔軍工研究任務，擁有雄厚的科研能力，具有很強的產品開發能力，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。所獲得的最重要的科研成果Nd：YAG鐳射晶體己轉化為產品，1985年通過JYN一1型Nd：YAG鐳射棒設計定型鑒定，生長的毛坯直徑為30―35mm，1991年通過JYN一3型Nd：YAG鐳射棒設計定型鑒定，生長的毛坯直徑達到由40―45mm。而目前華北光電子技術研究所生長的Nd：YAG除毛坯直徑達到55―60mm，長度為210mm，並己初步形成規模化生產成為銷售國內外的重要產品。

在如前所述的鐳射晶體良好發展前景下，進一步開拓稀土產品的國內外市場，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資源，在國際上享有一定的地位，相當部分的稀土產品出口在國際上具有一定的競爭力。因此在這樣較高的發展起點上，我國稀土廠家必須爭取主動，大力開發稀土氧化物的生產，除了滿足國內市場需求外，還應積極開發國外市場，推動我國稀土事業的發展，只有這樣才能鞏固我國已具有的稀土重要生產基地的地位，才能發展成為重要的稀土產品出口商。


稀土供應商：中鎢線上科技有限公司
產品詳情查閱：http://www.chinatungsten.com
訂購電話：0592-5129696 傳真：0592-5129797
電子郵件：sales@chinatungsten.com
鎢新聞、價格手機網站，3G版：http://3g.chinatungsten.com
鎢新聞、價格手機網站，WML版：http://m.chinatungsten.com

• < 前一頁
• 下一個 >