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稀土在激光材料中的应用

日期: 2018-07-20
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稀土在激光材料中的应用

 

 

  稀土具有其他材料难以比拟的光电磁性能,被广泛应用于电子、新能源、环境保护等新兴领域,常用的稀土材料有稀土发光材料、抛光材料、永磁材料、储氢材料等,特别是第三代高性能钕铁硼永磁材料已成为风力发电、节能电梯、节能环保空调、新能源汽车、EPS等各节能环保细分产业链上游的重要一环。据预测,我国2012年~2014年高性能钕铁硼的需求年均增速在25%以上,到2014年总需求量将增长至3.2万吨左右,市场规模可达170亿元以上。

  由于具有特殊的光电磁性质,稀土是研制开发各种新型功能材料的“宝库”,正不断派生新的高科技产业。

  稀土发光材料是彩色电视和各种显示器不可缺少的发光体,也是制造三基色节能灯和金属卤化物灯等现代绿色照明光源的必需材料。稀土长余辉荧光粉具有白天吸收阳光,夜晚能自动发光的本领,用做铁路公路标志、街道和建筑物标牌等夜间显示,既方便节能,又有装饰美化效果。

  目前大约90%的激光材料都涉及稀土,在国际上已商品化的45种激光材料中,稀土激光材料就占30多种,已被广泛用于光通讯、精密加工、医疗和军事技术等领域。

  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Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb共11个三价离子和Sm、Dy、Tm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(Nd:YAG)、掺钕铝酸钇(Nd:YAP)、掺铝钆稼石榴石(Nd:GGG)和掺钕铝酸镁镧(Nd:LMA)等。其中,Nd:YAG最重要,应用最广,用量最大。国外早已投入生产,在美国Nd:YAG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Ce:YLF和Ce:LaF3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Ce:LiCAF、Ce:LiSAF。

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Er和Ho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Ho:Cr:Tm:YAG、Er:YAG和Ho:Er:Tm:YLF已有小批量试制能力,但末形成批量产品。

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