中国稀土行业协会

稀土在激光晶体中的应用及发展前景

2012-9-16 16:43| 发布者: admin| 查看: 4753| 评论: 0

摘要: 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 ...
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CePrNdSmEuTbDyHoErTmYb11个三价离子和SmDyTm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(NdYAG)、掺钕铝酸钇(NdYAP)、掺铝钆稼石榴石(NdGGG)和掺钕铝酸镁镧(NdLMA)等。其中,NdYAG最重要,应用最广,用量最大。国外早已投入生产,在美国NdYAG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CeYLFCeLaF3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CeLiCAFCeLiSAF

    用于LD泵浦激光器的晶体主要有NdYVO4NdYAGNdYLF等,其它合适的泵浦的晶体还有YbYAG等。我国的YVO4NdYVO4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ErHo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HoCrTmYAGErYAGHoErTmYLF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NdYAG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,NdYAG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NdYAG激光晶体为工作物质的。

    在工业领域,NdYAG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NdYAG激光器。根据Laser Focus  World的统计,1997年全世界用于材料加工的NdYAG激光器,销售额为1.17亿美元,1998年用于材料加工的NdYAG激光器,销售额2.89亿美元,1999年用于材料加工的NdYAG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NdYAG激光器的重要应用之一,在所有激光医疗设备中,NdYAG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YAGYLF外,还有高增益YV04等,激活离子除传统Nd离于外,还有YbHoTmEr离子等。YbYAG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。YbS-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。TmYAGHoTmYLFHo,: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CrYbHoYSGG激光晶体等。CrYbHoYAGG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CrYbHoYSGG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HoCrTmYAGHoErTmYLFErYAG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NdYAG激光晶体己转化为产品,1985年通过JYN-1NdYAG激光棒设计定型鉴定,生长的毛坯直径为30-35mm1991年通过JYN-3NdYAG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NdYAG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。

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