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  • 贛州誠正稀土新材料股份有限公司

    稀土激光材料

    首頁    新聞    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。

    2019年5月20日 11:55
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