摘要：稀土元素由于其特殊的原子结构具有很多优良的性质。激光广泛的应用是离不开稀土材料的。本文将对稀土激光材料的分类应用做一个简单的描述。

         关键词：稀土；激光材料

   

1.稀土激光材料概述     

    激光是一种新型光源，它具有很好的单色性、方向性和相干性，并且可以达到很高的亮度。与激光技术相应发展起来的各种晶体，如非线性晶体，能对激光束进行调频、调幅、调偏及调相作用；能修正传输过程中激光图像的畸变；热电探测晶体能灵敏地探测到红外光等。这些特性使激光很快就应用到工、农、医和国防部门。

近年来,稀土元素作为光学高新材料的原料宝库,其价值和应用日益受到广泛的关注,世界各国都把目光投向稀土元素功能的开发上,稀土元素被称为21世纪的战略元素.稀土元素性质相似,最初是从相当稀少的矿物中,以氧化物的形态发现的.以前常把氧化物称为土,因此得名稀土.稀土元素属于元素周期表中ⅢＢ族,它包括钪和钇和镧系元素在内,一共17种元素.镧系元素镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥.稀土元素的三价态是稀土离子的特征氧化态,除钪、钇、镧外,均有4ｆ电子及4ｆ亚层的7个可填充电子的轨道,4ｆ组态内的跃迁产生荧光光谱(二次发光).稀土离子的发光具有许多极其优异的性能,使得稀土元素的发光研究具有重要的理论意义和应用价值.

    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。  

  

2.稀土激光材料分类介绍 

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。

2.1稀土晶体激光材料  

   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。

　　用于LD泵浦激光器的晶体主要有Nd：YVO4、Nd：YAG、Nd：YLF等，其它合适的泵浦的晶体还有Yb：YAG等。我国的YVO4、Nd：YVO₄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。

2.2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。

2.3化学计量激光材料 

    在这类激光材料中，稀土激活离子不是以掺杂的形式加入的，而是作为晶体的组分之一。其潜在的应用是用于集成光学、光通讯、测距，将来光计算机与半导体激光器将有一番竞争。

2.4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。 

2.5稀土光纤激光材料  

    随着集成光学和光纤维通讯的发展，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。现代信息高速公路的建设与发展,对传输容量、所传输信号的质量、速度提出了更高的要求，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。  

    近年来对掺铒的光纤放大器的研制取得了很大的进展。将铒掺入普通石英光纤，再配以980纳米、1480纳米的两种波长的半导体激光器，就基本构成了直接扩大1550纳米光信号的光放大器。铒从高能态跃迁至基态时发射的光补充了衰减的信号光，起到光放大的作用。为避免无用的吸收，光纤中铒的掺杂量为几十至几百ppm，而且，在光密度高的芯的中心部分掺杂可获得高增益。 

 

3.稀土激光材料的应用展望

    稀土材料是激光系统的心脏，是激光技术的基础，由激光而发展起来的光电子技术，不仅广泛用于军事，而且在国民经济许多领域，如光通讯、医疗、材料加工（切割、焊接、打孔、热处理等）、信息储存、科研、检测和防伪等方面获得广泛应用，形成新产业。在军事上，稀土激光材料广泛应用于激光测距、制导、跟踪、雷达、激光武器和光电子对抗、遥测、精密定位及光通讯等方面。提高和改变各军种和兵种的作战能力和方式，在战术进攻和防御中起重大作用。高功率激光材料可装备激光致盲武器，以及光电对抗等武器。光发射二极管（LED）泵浦的激光晶体制成的激光器输出光束质量好，非线性移频效率高，可把毫瓦级的激光移频到蓝光、绿光和红光区，用于光存贮、显示、遥感、雷达和科研等。下面以稀土激光材料在医学上的应用为例作详细介绍。

    激光在医学上可当成“手术刀”用于眼科和牙科等外科手术.例如钬激光器便可用于治疗青光眼.手术时,医生向结膜皮层插入一根石英光纤针,将钬激光器发射的激光输送到巩膜上,通过控制,在巩膜上烧出直径为0.2-0.3毫米的小孔,让一种药液泻流到结膜和巩膜之间的腔体内,以保持正常眼压,从而治愈青光眼病.脉冲钕激光器已用于牙科医疗中,并逐步取代古老的钻孔机.该激光器具有1.06微米的波长,3瓦的最大输出功率,可用于治疗硬牙组织和软牙组织,还可除去牙齿腐烂物而不会让病人感觉到疼痛.另外,稀土激光材料(还可以用于激光治疗消化道息肉(包括大肠、胃、十二指肠,贲门和食管息肉)、鼻咽部囊肿、咽部血管瘤等病症,均取得很好疗效.稀土激光材料中有一类稀土玻璃激光材料,它们多是以Nd³⁺、Er³⁺、Tm³⁺等离子为稀土元素激活离子,且容易制备,可以灵活的制成不同的形状和尺寸.稀土玻璃激光器输出脉冲能量大,输出功率高.掺有钕的激光玻璃就是目前已知输出脉冲能量最大(105焦)、输出功率最高(1012瓦以上)的固体激光材料.它的大型激光器用于热核聚变的研究中,而且还可用于激光制导、激光测距及激光打孔上.铒激光器输出的2.94微米的激光和钬激光器输出的2.91微米的激光还可用于激光手术和生物工程上.21世纪,人们正倾注全力建设信息高速公路,用光子代替电子,用光纤代替铜线,信息的传输距离越来越远,传输速度越来越快,通信容量越来越大.在全球掀起的建设信息高速公路的热潮中,在发展信息材料方面稀土家庭占有重要的地位.例如使用含镧的全所氟光纤,可以使光信号传输的理论损耗降低得很多.而目前最好的光纤放大器是掺铒光纤放大器(ＥＤＦＡ),放大率可达30-40分贝(相当于放大因数为10000倍),可实现无中继长距离(100千米以上)传输。

    1985～1986年全世界的激光器的销售额从4.6亿美元增加到1996年的15亿美元。平均年增长率为11%。激光产品销售额的分布：美国占45%、欧洲占30%、太平洋地区占25%。销售额占前六位应用领域是材料加工、医疗、光通讯、科学研究、光存储和测量设备。到下世纪初，光通讯、光存储和信息高速公路等光电子技术将得到飞速发展。

我国是稀土资源大国,在世界已探明的稀土储量为6200万吨(以稀土氧化物计)中,其中中国稀土资源工业储量为4800万吨,占世界已探明资源的80%。依靠丰富的资源，大力推进研发，相信我国的稀土激光材料将会有更大的发展。

 

参考文献：

1．  苏文斌。稀土元素发光特性及其应用。化学研究 2001年第12期第55页。

2．  王静。稀土在功能材料中的应用与新进展。化学推进剂与高分子材料 2003年第1卷第5期第30页。

3．  李建宇. 稀土发光材料及其应用 化学工业出版社 2003年版。

4．  佚名。探讨稀土激光材料。中国激光网http://www.chinalaser.com.cn。

5．  佚名。稀土在激光晶体中的应用及发展前景。真源在线 http://www.ebubu.cn。

2004年12月

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