稀土激光材料

一、稀土激光材料
　　激光是一種新型光源，它具有很好的單色性、方向性和相干性，并且可以達到很高的亮度。與激光技術相應發展起來的各種晶體，如非線性晶體，能對激光束進行調頻、調幅、調偏及調相作用；能修正傳輸過程中激光圖像的畸變；熱電探測晶體能靈敏地探測到紅外光等。這些特性使激光很快就應用到工、農、醫和國防部門。
　　激光與稀土激光材料是同時誕生的。到目前為止，大約90%的激光材料都涉及到稀土。自從1960年在紅寶石中出現激光以來，同年就發現用摻釤的氟化鈣(CaF2:Sm2+)可輸出脈沖激光。1961年首先使用摻釹的硅酸鹽玻璃獲得脈沖激光，從此開辟了具有廣泛用途的稀土玻璃激光器的研究。1962年首先使用CaWO4:Nd3+晶體輸出連續激光，1963年首先研制稀土螯合物液體激光材料，使用摻銪的苯酰丙酮的醇溶液獲得脈沖激光，1964年找出了室溫下可輸出連續激光的摻釹的釔鋁石榴石晶體（Y3Al5O12:Nd3+），它已成為目前獲得了廣泛應用的固體激光材料，1973年首次實現銪-氦的稀土金屬蒸氣的激光振蕩。由此可見，在短短的十多年里，稀土的固態、液態和氣態都實現了受激發射。在激光工作物質中，稀土已成為一族很重要的元素。這都與它具有特殊的電子組態、眾多可利用的能級和光譜特性有關。
　　稀土激光材料可分為：固體、液體和氣體三大類。但后兩大類由于其性能、種類和用途等遠不如固體材料。所以一般說稀土激光材料通常是指固體激光材料。固體材料分為晶體、玻璃和光纖激光材料，而激光晶體又占主導地位。
二、稀土固態激光材料
1．稀土晶體激光材料
　　目前已知約有320種激光晶體，主要是含氧的化合物或含氟的化合物，其中約290種是摻入稀土作為激活離子的，即稀土激光晶體約占90.6%，稀土中已實現激光輸出的有Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb等，盡管激光晶體很多，但重要的只有數十種，而實用的更少。典型的、優良的激光晶體有如下幾種： （1）稀土石榴石體系（YAG）
　　YAG是目前國內外研究、開發和應用最活躍的體系，其中摻釹釔鋁石榴石晶體（YAG∶Nd）性能最好，用途最廣，產量最大。它用作重復頻率高的脈沖激光器。近年來開發了效率更高的摻釹和鉻的釓鈧鎵石榴石。
（2）摻Nd的鋁酸釔體系 YAlO3∶Nd(YAP∶Nd)
　　YAP屬正交晶系，具有各向異性，故可利用晶體的不同取向而得到不同的激光特性。另外YAP晶體的長生速度比YAG快。輸出功率不易飽和。其缺點是在高溫下存在相不穩定性，熱膨脹系數各向異性，致使晶體在生長過程中易出現開裂、色心和散射顆粒等缺點。 （3）氟化鋰釔（YLF）激光材料
　　YLF是一種優良的激光基質，其中很多稀土激光離子都實現了激光輸出。它的優點是受光輻照后，不產生色心而變色，基質吸收的截止波長移向短波。YLF：Nd晶體熒光壽命長，發射截面積大，適合二極管的泵浦的激光晶體。
2．稀土玻璃激光材料
　　在玻璃中可產生激光的稀土激活離子比在晶體中少，目前已知有Nd、Er、Ho、Tm等三價離子。稀土玻璃激光材料的優點是：易于制備，利用熱成型和冷加工工藝可制得不同大小尺寸和形狀的玻璃，靈活性比晶體大，既可拉成直徑小至微米的纖維，又可制成幾厘米直徑和幾米長的棒或圓盤。稀土玻璃是目前輸出脈沖能量最大、輸出功率最高的固體激光材料，用這種激光材料制成的大型激光器用于熱核聚變的研究中。 ３．化學計量激光材料
　　在這類激光材料中，稀土激活離子不是以摻雜的形式加入的，而是作為晶體的組分之一。其潛在的應用是用于集成光學、光通訊、測距，將來光計算機與半導體激光器將有一番競爭。
4．稀土上轉換激光材料
　　目前實現的激光波長主要是紅和紅外波段，極缺藍和綠激光波段，使激光的發展和應用受到影響。除倍頻技術使長波長的激光轉變為短波長激光外，近年來，人們利用發光學中的反斯托克斯效應，大力發展上轉換激光材料，并使之達到實用化、商品化。
5．稀土光纖激光材料
　　隨著集成光學和光纖維通迅的發展，需要有微型的激光器和放大器。90年代起，信息高速公路對信息的傳輸提出了更高的要求，多媒體技術要求能同時傳送圖、文、聲、像，而且是高度清晰的聲、像。信息高速公路要達到象樣的高速，一般的光纖通信技術傳送信息的速度差之甚遠，希望能以超高速、超長距離方式傳送信息需要跨越許多技術上的障礙，其中之一就是如何補充在長距離傳送過程中光衰減的能量。所以光信號直接放大就成為尚待解決的課題。其中摻鉺的光纖放大器能直接放大光信息，進行大容量、長距離通信，使光纖通信取得長足發展?！　〗陙韺姐s的光纖放大器的研制取得了很大的進展。將鉺摻入普通石英光纖，再配以980納米、1480納米的兩種波長的半導體激光器，就基本構成了直接擴大1550納米光信號的光放大器。鉺從高能態躍遷至基態時發射的光補充了衰減的信號光，起到光放大的作用。為避免無用的吸收，光纖中鉺的摻雜量為幾十至幾百ppm，而且，在光密度高的芯的中心部分摻雜可獲得高增益。
三、稀土激光材料的應用器件
1．YAG∶Nd激光器
　　這是用量最多、最成熟的激光晶體，對其需求占激光晶體的90%左右，在未來5年內仍為主體。材料加工是激光器巨大市場之一。CO2激光器與YAG∶Nd激光器在材料加工方面銷售量之比為2∶1。
2．光存貯激光器
　　作為信息高速公路重要組成部分，市場潛力非常巨大，其中一部分屬于光存儲。提高存儲密度的方法是用更短波長的激光，目前最佳選擇是808微米的LED泵浦YVO4∶Nd晶體。
3．2微米激光器
　　Ho和Tm激光器有很大的市場潛力。由于Ho和Tm激光輸出波長在2微米左右，與水的吸收峰相接近，有極好的對人體組織切割和凝血效果，可以用普通光纖傳輸，是理想的手術激光光源。美國已批準20多種2微米激光在醫療臨床使用?？芍委煻喾N疾病。2微米激光對人眼安全，大氣穿透好，可作為激光雷達光源，其綜合性能優于YAG∶Nd和CO2激光器。
4．LED泵浦的固體激光器
　　LED泵浦固體激光器其效率比燈泵浦提高10倍，全固體化可靠性提高100倍，在光存儲、微細加工、有線電視、遙感、雷達等科研方面有巨大市場。LED泵浦激光材料目前主要有YAG∶Nd、YAG∶Tm、YVO4∶Nd、Y2SiO5∶Nd等。
四、稀土激光材料發展方向
　　稀土材料是激光系統的心臟，是激光技術的基礎，由激光而發展起來的光電子技術，不僅廣泛用于軍事，而且在國民經濟許多領域，如光通訊、醫療、材料加工（切割、焊接、打孔、熱處理等）、信息儲存、科研、檢測和防偽等方面獲得廣泛應用，形成新產業。在軍事上，稀土激光材料廣泛應用于激光測距、制導、跟蹤、雷達、激光武器和光電子對抗、遙測、精密定位及光通訊等方面。提高和改變各軍種和兵種的作戰能力和方式，在戰術進攻和防御中起重大作用。高功率激光材料可裝備激光致盲武器，以及光電對抗等武器。光發射二極管（LED）泵浦的激光晶體制成的激光器輸出光束質量好，非線性移頻效率高，可把毫瓦級的激光移頻到藍光、綠光和紅光區，用于光存貯、顯示、遙感、雷達和科研等。 ??1985～1986年全世界的激光器的銷售額從4.6億美元增加到1996年的15億美元。平均年增長率為11%。激光產品銷售額的分布：美國占45%、歐洲占30%、太平洋地區占25%。銷售額占前六位應用領域是材料加工、醫療、光通訊、科學研究、光存儲和測量設備。到下世紀初，光通訊、光存儲和信息高速公路等光電子技術將得到飛速發展。我國激光產業的銷售額從1985年的0.6億元上升到1994 年的5.82億元。平均每年以32%的速度遞增。