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(kāi)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年第一臺(tái)紅寶石激光器問(wèn)世以后，人們對(duì)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(guò)程，固體激光晶體己從最初幾種基質(zhì)晶體發(fā)展到常見(jiàn)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(guó)外有關(guān)資料，世界激光器具有持續(xù)穩(wěn)定增長(zhǎng)的市場(chǎng)前景。多年來(lái)各國(guó)政府在撥款方面逐漸減少，迫使各企業(yè)努力開(kāi)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(chǎng)的需求開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，尤其自1996豐以來(lái)，激光器市場(chǎng)，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(zhǎng)。據(jù)BCC公司的統(tǒng)計(jì)表明，按平均年增長(zhǎng)12.1％計(jì)，僅美國(guó)激光材料和元部件市場(chǎng)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(zhǎng)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(kāi)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(jiàn)，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(guò)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?？梢?jiàn)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(jí)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(jí)和他們的4f電子的躍遷，使稀土成為激光晶體不可缺少的激活離子，為高新科技提供了很多性能優(yōu)越的高功率、LD泵浦、可調(diào)諧、新波長(zhǎng)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最重要，應(yīng)用最廣，用量最大。國(guó)外早已投入生產(chǎn)，在美國(guó)Nd：YAG晶體已經(jīng)商品化，新產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，占領(lǐng)國(guó)際大部分市場(chǎng)。可調(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。目前最為有效的和可連續(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(guó)的YVO4、Nd：YVO4晶體均已享譽(yù)國(guó)際市場(chǎng)，據(jù)估計(jì)其產(chǎn)品目前占國(guó)際市場(chǎng)的l/3。

在稀土激活離子中常用的是Nd離子，它輸出波長(zhǎng)為1.06μm。多年來(lái)人們一直在進(jìn)行新波長(zhǎng)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(zhǎng)對(duì)人眼安全，大氣傳輸特性好，對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)的煙霧穿透能力強(qiáng)，保密性好，適合軍用。而且其波長(zhǎng)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(guó)對(duì)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。