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稀有钛宝石让上海超强超短激光实验装置生辉

来源:科技日报

  发布:星之球科技

关键词:超短激光 激光技术

2018-05-23

 日前,在全国科技周科技创新成果展上,上海超强超短激光实验装置的模型旁,赫然摆着一块直径达195mm的紫红色“宝石”。这是一块钛宝石,晶莹剔透,引发了观众的好奇,它跟旁边的“国之重器”有啥关系?
中科院上海光机所钛宝石课题负责人杭寅研究员对科技日报记者介绍说,这块大尺寸钛宝石,人们眼里的美丽装饰用品,却具备大“能量”。它是大科学实验装置——上海超强超短激光实验装置的核心关键材料之一,它的主要用途是用来进行激光能量的放大,实现拍瓦级高峰值功率的激光输出。
激光脉冲峰值功率达到拍瓦、脉冲宽度达到数十飞秒级的超强超短激光,是人类已知的最亮光源。钛宝石晶体在超强超短激光装置中犹如“人的心脏”,少了它,超强超短激光就没办法产生。钛宝石晶体口径越大,吸收的能量越多,激光输出的功率也就越高。
自然界中没有发现过钛宝石,钛宝石不是挖出来的,而是在实验室进行人工制备晶体长出来的!据介绍,钛宝石是一种化学结构有序的晶体材料,是蓝宝石中掺入了一些钛元素所形成的。高纯度、透明的蓝宝石,也就是平常我们说的“白宝石”,它的化学成分主要是氧化铝。钛宝石晶体,就是在氧化铝中,人为地掺杂一些钛离子,通过二千多度的高温环境慢慢生长出来的,称之为人工晶体生长。这种人工宝石晶体显示出淡红色。
中科院上海光机所于2015年自主研发成功国内首台热交换法生长大尺寸钛宝石晶体设备。有了该国产化设备,研究人员才得以通过十多次晶体生长实验,优化晶体生长工艺参数,突破大尺寸钛宝石晶体生长关键技术,于2017年研制成功全球最大尺寸、直径达235毫米的优质钛宝石晶体。而在此之前,研究人员只能从国外购买大尺寸钛宝石晶体,尺寸仅200毫米,还需要等待长达两年的交货期。
杭寅说,目前10拍瓦激光主放大器采用的大尺寸钛宝石晶体,由中科院上海光机所自主研制,在晶体尺寸、光学均匀性、激光输出功率等指标均处于国际领先水平。
钛宝石熔点高达2050摄氏度,硬度仅次于金刚石,铝和钛离子的半径相差30%,大尺寸晶体生长和加工的难度非常高。大尺寸钛宝石晶体的热应力和结构应力都很大,容易产生气泡,晶体易开裂,需要近两个月才能长出来。
基于大尺寸钛宝石晶体实现拍瓦级高峰值功率的超强超短激光,应用非常广泛。有望被用于开展高能物理、核物理等能产生极端条件的科学研究,用于光谱测量、激光精密加工等小型激光器,研究天体物理和宇宙起源等。
此外,“钛宝石”顾名思义,同时也是一种“宝石”,它具有宝石美丽、稀少、耐久的基本特点。目前,合成宝石不失为避免天然矿物资源过度开发的有效方式,未来有很大的应用前景。