稀土在激光晶体中的应用及发展前景 -国际云顶yd4008

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laser focus  world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laser   focus  world的统计，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。
四、体会和建议
　　我国较早地开展了激光晶体的研究与生产，其中华北光电技术研究所是主要单位。华北光电技术研究所长期承担军工研究任务，拥有雄厚的科研能力，具有很强的产品开发能力，不仅在科研上取得很多成果，而且在科研成果的转化上也作出了很大的成绩。所获得的最重要的科研成果nd：yag激光晶体己转化为产品，1985年通过jyn-1型nd：yag激光棒设计定型鉴定，生长的毛坯直径为30-35mm，1991年通过jyn-3型nd：yag激光棒设计定型鉴定，生长的毛坯直径达到由40-45mm。而目前华北光电子技术研究所生长的nd：yag除毛坯直径达到55-60mm，长度为210mm，并己初步形成规模化生产成为销售国内外的重要产品。
　　在如前所述的激光晶体良好发展前景下，进一步开拓稀土产品的国内外市场，确立我国在国际稀土方面的地位，显得尤为重要。我国拥有丰富的稀土矿产资源，在国际上享有一定的地位，相当部分的稀土产品出口在国际上具有一定的竞争力。因此在这样较高的发展起点上，我国稀土厂家必须争取主动，大力开发稀土氧化物的生产，除了满足国内市场需求外，还应积极开发国外市场，推动我国稀土事业的发展，只有这样才能巩固我国已具有的稀土重要生产基地的地位，才能发展成为重要的稀土产品出口商。