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稀土在激光晶體中的應(yīng)用及發(fā)展前景
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(xué)領(lǐng)域的嶄新局面,，促進(jìn)了光電技術(shù)的進(jìn)程和發(fā)展。激光技術(shù)是光電子技術(shù)的核心組成部分,，而激光晶體是激光器的工作物質(zhì),。自1960年臺(tái)紅寶石激光器問世以后,，人們對激光工作物質(zhì)進(jìn)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(zhì)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(shù)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(guān)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(shù)和降低成本的措施,，并結(jié)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(kuò)大,，銷售持續(xù)穩(wěn)定的增長。據(jù)BCC公司的統(tǒng)計(jì)表明,，按平均年增長12.1％計(jì),，僅美國激光材料和元部件市場從1996年的4.763億美元將達(dá)到2000年的7.653億美元。
二十一世紀(jì)是信息化的世紀(jì),，光電子技術(shù)是信息社會(huì)發(fā)展的強(qiáng)大推動(dòng)力,，因此，光電子產(chǎn)業(yè)一直被認(rèn)為是下世紀(jì)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(fēng)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(jì)增長的角色日益突出。在近二十年內(nèi),，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(shù)發(fā)展的先導(dǎo)和基礎(chǔ)，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(xué)研究到工業(yè)生產(chǎn)，從軍用到民用,，應(yīng)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(dòng)稀土的廣泛應(yīng)用。
二,、稀土在激光晶體中的應(yīng)用
激光晶體是由晶體基質(zhì)和激活離子組成,。激光晶體的激光性能與晶體基質(zhì)、激活離子的特性關(guān)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(shí)現(xiàn)激光輸出的有Ce,、Pr、Nd,、Sm,、Eu、Tb,、Dy,、Ho、Er,、Tm,、Yb共11個(gè)三價(jià)離子和Sm、Dy,、Tm三個(gè)二價(jià)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(diào)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(yīng)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(zhì)量穩(wěn)定，占領(lǐng)大部分市場,?？烧{(diào)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(diào)諧的紫外激光。目前為有效的和可連續(xù)調(diào)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(yù)市場,，據(jù)估計(jì)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(jìn)行新波長激光晶體的探索工作。其中比較成功并獲得實(shí)際應(yīng)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(qiáng),，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(yīng)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,。