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宝石激光材料的应用和发展

2016-10-24 19:31:38 深圳鑫锐光 阅读
宝石切割,宝石激光切割

   光灿瑰丽的宝石自古以来就被人们视为珍宝,因而被帝王官宦看作是财富和地位的象征。宝石的化学主成分是α-Al2O3。当晶体中有不同金属离子掺杂时,呈现出斑斓色彩,例如红宝石(含铬(Ⅲ),红色),蓝宝石(含Fe(Ⅱ)/(Ⅲ),Ti(Ⅳ),蓝色),绿宝石(含Cr(Ⅲ)/Ⅴ(Ⅲ),绿色),紫晶(含Cr(Ⅲ)/Ti(Ⅳ),紫色)以及有特殊光泽的黄晶(含Fe(Ⅲ),黄色)。这些宝石中,许多已可借助高温熔融技术进行工业制造。

  20世纪60年代,名贵的红宝石又成为重要的功能材料,与激光结下了不解之缘。

  激光是20世纪的重大发明之一。1960年人们用红宝石作为工作物质振荡激励发射出激光,随后又用氦、氖、二氧化碳等气体以及半导体、染料等作为工作物质实现了激光振荡。激光具有能量密度高、相干性好和单色性极佳等特性。激光的能量密度比太阳表面高100亿倍以上,聚焦后能产生几万度到几百万度的高温,已应用于对难熔金属、高温陶瓷、半导体、宝石、钻石等材料的打孔、切割、焊接和热处理。激光的谱线宽度极窄,红宝石发出的激光波长为694.3nm,谱线宽度为0.01nm,而氦氖气体激光器的谱线宽度仅为一亿分之一纳米。如此好的单色性使得激光成为一把标准的尺子用于长度的精密测量。激光的良好相干性已应用于干涉度量、全息照相、光学信息处理等高新技术中。

  用以产生激光的物质叫做激光工作物质,它是激光器的心脏。激光工作物质可以是气体、液体或固体。虽然已经研制出上百种固体激光物质,但实际使用中效果最好的主要是红宝石、掺钕钇铝石榴石、掺钕铝酸钇和钕玻璃4种。

  红宝石是人类最早人工合成的晶体宝石材料。1891年法国人用氢氧火焰将掺有少量铬的Al2O3粉末加热熔化制得红宝石。它是最早振荡出激光的材料,激发用的光泵是氙灯,以脉冲方式工作。红宝石受光脉冲激发300~500μs后产生激光脉冲,峰值功率达109~10W。钇铝石榴石的化学组成为(Y3Al5O12),掺钕钇铝石榴石连续激光器的最大输出功率在1kW以上,重复频率30次/s的巨脉冲输出已达几百MW。铝酸钇(YAlO3)掺钕后作为激光工作物质输出1064.5nm的激光。钕玻璃是玻璃质激光材料,其最大优点是不像单晶那样受晶体制备条件的严格限制,可以熔出尺寸大、光学均匀性良好的材料。用钕玻璃激光器作为引发核聚变反应的强光源取得有效成果,引起人们的重视。用于核聚变试验的大功率玻璃激光器脉冲宽度调节在1~6×10-10s,峰值最大输出能量为350J时,功率密度达7×1016W·cm-2。它的不足是因导热性差,为防止受热损坏应注意有效的冷却。

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