稀土材料：激光应用技术的核心

激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。光是从组成物质的原子中发射出来的，原子获得能量后处于不稳定状态，也就是激发状态，它会以光子的形式把能量发射出去。而激光，就是被引诱激发出来的光子队列，这光子队列中的光子，光学特性一样，步调极其一致。激光的发射原理及产生过程的特殊性决定了激光具有普通光所不具有的特点：即三好（单色性好、相干性好、方向性好）一高（亮度高）。（1）单色性好：普通光源发射的光子，在频率上是各不相同的，所以包含有各种颜色。而激光发射的各个光子频率相同，因此激光是最好的单色光源。由于光的生物效应强烈地依赖于光的波长，使得激光的单色性在临床选择性治疗上获得重要应用。此外，激光的单色特性在光谱技术及光学测量中也得到广泛应用，已成为基础医学研究与临床诊断的重要手段。（2） 相干性好：由于受激辐射的光子在相位上是一致的，再加之谐振腔的选模作用，使激光束横截面上各点间有固定的相位关系，所以激光的空间相干性很好。激光为我们提供了最好的相干光源。正是由于激光器的问世，才促使相干技术获得飞跃发展，全息技术才得以实现。（3）方向性好：激光束的发散角很小，几乎是一平行的光线，激光照射到月球上形成的光斑直径仅有1公里左右。而普通光源发出的光射向四面八方，为了将普通光沿某个方向集中起来常使用聚光装置，但即便是最好的探照灯，如将其光投射到月球上，光斑直径将扩大到1000公里以上。（4）亮度高：激光的亮度可比普通光源高出1012～1019倍，是目前最亮的光源，强激光甚至可产生上亿度的高温。激光的高能量是保证激光临床治疗有效的最可贵的基本特性之一。利用激光的高能量还可使激光应用于激光加工工业及国防事业等。激光与稀土激光材料是同时诞生的。到目前为止，大约90%的激光材料都涉及到稀土。自从1960年在红宝石中出现激光以来，同年就发现用掺钐的氟化钙(CaF2:Sm2+)可输出脉冲激光。1961年首先使用掺钕的硅酸盐玻璃获得脉冲激光，从此开辟了具有广泛用途的稀土玻璃激光器的研究。1962年首先使用CaWO4:Nd3+晶体输出连续激光，1963年首先研制稀土螯合物液体激光材料，使用掺铕的苯酰丙酮的醇溶液获得脉冲激光，1964年找出了室温下可输出连续激光的掺钕的钇铝石榴石晶体（Y3Al5O12:Nd3+），它已成为目前获得了广泛应用的固体激光材料，1973年首次实现铕-氦的稀土金属蒸气的激光振荡。由此可见，在短短的十多年里，稀土的固态、液态和气态都实现了受激发射。在激光工作物质中，稀土已成为一族很重要的元素。这都与它具有特殊的电子组态、众多可利用的能级和光谱特性有关。稀土激光材料可分为固体、液体和气体三大类。但后两大类由于其性能、种类和用途等远不如固体材料。所以一般说稀土激光材料通常是指固体激光材料。固体材料分为晶体、玻璃和光纤激光材料，而激光晶体又占主导地位。（1）稀土晶体激光材料，目前已知约有320种激光晶体，主要是含氧的化合物或含氟的化合物，其中约290种是掺入稀土作为激活离子的，即稀土激光晶体约占90.6%，稀土中已实现激光输出的有Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Dy、Ho、Er、Tm和Yb等，尽管激光晶体很多，但重要的只有数十种，而实用的更少。（2）稀土玻璃激光材料　在玻璃中可产生激光的稀土激活离子比在晶体中少，目前已知有Nd、Er、Ho、Tm等三价离子。稀土玻璃激光材料的优点是：易于制备，利用热成型和冷加工工艺可制得不同大小尺寸和形状的玻璃，灵活性比晶体大，既可拉成直径小至微米的纤维，又可制成几厘米直径和几米长的棒或圆盘。稀土玻璃是目前输出脉冲能量最大、输出功率最高的固体激光材料，用这种激光材料制成的大型激光器用于热核聚变的研究中。（3）稀土上转换激光材料，目前实现的激光波长主要是红和红外波段，极缺蓝和绿激光波段，使激光的发展和应用受到影响。除倍频技术使长波长的激光转变为短波长激光外，近年来，人们利用发光学中的反斯托克斯效应，大力发展上转换激光材料，并使之达到实用化、商品化。（4） 稀土光纤激光材料，随着集成光学和光纤维通迅的发展，需要有微型的激光器和放大器。90年代起，信息高速公路对信息的传输提出了更高的要求，多媒体技术要求能同时传送图、文、声、像，而且是高度清晰的声、像。信息高速公路要达到象样的高速，一般的光纤通信技术传送信息的速度差之甚远，希望能以超高速、超长距离方式传送信息需要跨越许多技术上的障碍，其中之一就是如何补充在长距离传送过程中光衰减的能量。所以光信号直接放大就成为尚待解决的课题。其中掺铒的光纤放大器能直接放大光信息，进行大容量、长距离通信，使光纤通信取得长足发展。稀土材料是现在激光应用系统的心脏，也是现在激光技术应用的基础。两者的结缘使得现在的军事、通讯、医疗材料加工、信息储存、科研、检测、防伪领域广泛采用现在的激光应用技术，让现在激光应用技术走进现在生产生活的众多方面。像现在光纤激光打标机中的激光器就采用稀土作为增益介质，所以在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”，当适当加入正反馈回路（构成谐振腔）便可形成激光振荡输出。2017款高精度光纤激光打标机高精度光纤激光打标机具有光束质量好，体积小、速度快、工作寿命长、安装灵活方便以及免维护等特点。同时还性能稳定，体积小巧，耗电量小，无高电压无需庞大的水冷系统（仅需约300W），光束质量高，接近理想光束。可以集成电路芯片、电脑配件、工业轴承、钟表、电子及通讯产品、航天航空器件、各种汽车零件、家电、五金工具、模具、电线电缆、食品包装、首饰、烟草以及军用事等众多领域的图形和文字进行精细化标记，而且还可以大批量生产线作业。随着激光技术的飞速发展，作为“工业维生素”的稀土，在激光应用领域中的应用将会更加紧密。