稀土在激光晶体中的应用及发展前景起重设备

稀土在激光晶体中的应用及发展前景

稀土在激光晶体中的应用及发展前景 2011年12月04日 来源： 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 FocusWorld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LaserFocusWorld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一1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一3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。(end)

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