激光是20世紀以來，繼原子能、計算機、半導體之后，人類的又一重大發(fā)明，被稱為“最快的刀”、“最準的尺”、“最亮的光”。光是從組成物質的原子中發(fā)射出來的，原子獲得能量后處于不穩(wěn)定狀態(tài)，也就是激發(fā)狀態(tài)，它會以光子的形式把能量發(fā)射出去。而激光，就是被引誘激發(fā)出來的光子隊列，這光子隊列中的光子，光學特性一樣，步調(diào)極其一致。
激光的發(fā)射原理及產(chǎn)生過程的特殊性決定了激光具有普通光所不具有的特點：即三好（單色性好、相干性好、方向性好）一高（亮度高）。
（1）單色性好：普通光源發(fā)射的光子，在頻率上是各不相同的，所以包含有各種顏色。而激光發(fā)射的各個光子頻率相同，因此激光是最好的單色光源。
由于光的生物效應強烈地依賴于光的波長，使得激光的單色性在臨床選擇性治療上獲得重要應用。此外，激光的單色特性在光譜技術及光學測量中也得到廣泛應用，已成為基礎醫(yī)學研究與臨床診斷的重要手段。
（2） 相干性好：由于受激輻射的光子在相位上是一致的，再加之諧振腔的選模作用，使激光束橫截面上各點間有固定的相位關系，所以激光的空間相干性很好。激光為我們提供了最好的相干光源。正是由于激光器的問世，才促使相干技術獲得飛躍發(fā)展，全息技術才得以實現(xiàn)。
（3）方向性好：激光束的發(fā)散角很小，幾乎是一平行的光線，激光照射到月球上形成的光斑直徑僅有1公里左右。而普通光源發(fā)出的光射向四面八方，為了將普通光沿某個方向集中起來常使用聚光裝置，但即便是最好的探照燈，如將其光投射到月球上，光斑直徑將擴大到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，強激光甚至可產(chǎn)生上億度的高溫。激光的高能量是保證激光臨床治療有效的最可貴的基本特性之一。利用激光的高能量還可使激光應用于激光加工工業(yè)及國防事業(yè)等。
激光與稀土激光材料是同時誕生的。到目前為止，大約90%的激光材料都涉及到稀土。自從1960年在紅寶石中出現(xiàn)激光以來，同年就發(fā)現(xiàn)用摻釤的氟化鈣(CaF2:Sm2+)可輸出脈沖激光。1961年首先使用摻釹的硅酸鹽玻璃獲得脈沖激光，從此開辟了具有廣泛用途的稀土玻璃激光器的研究。1962年首先使用CaWO4:Nd3+晶體輸出連續(xù)激光，1963年首先研制稀土螯合物液體激光材料，使用摻銪的苯酰丙酮的醇溶液獲得脈沖激光，1964年找出了室溫下可輸出連續(xù)激光的摻釹的釔鋁石榴石晶體（Y3Al5O12:Nd3+），它已成為目前獲得了廣泛應用的固體激光材料，1973年首次實現(xiàn)銪-氦的稀土金屬蒸氣的激光振蕩。由此可見，在短短的十多年里，稀土的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)都實現(xiàn)了受激發(fā)射。在激光工作物質中，稀土已成為一族很重要的元素。這都與它具有特殊的電子組態(tài)、眾多可利用的能級和光譜特性有關。
稀土激光材料可分為固體、液體和氣體三大類。但后兩大類由于其性能、種類和用途等遠不如固體材料。所以一般說稀土激光材料通常是指固體激光材料。固體材料分為晶體、玻璃和光纖激光材料，而激光晶體又占主導地位。
（1）稀土晶體激光材料，目前已知約有320種激光晶體，主要是含氧的化合物或含氟的化合物，其中約290種是摻入稀土作為激活離子的，即稀土激光晶體約占90.6%，稀土中已實現(xiàn)激光輸出的有Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Dy、Ho、Er、Tm和Yb等，盡管激光晶體很多，但重要的只有數(shù)十種，而實用的更少。
（2）稀土玻璃激光材料 在玻璃中可產(chǎn)生激光的稀土激活離子比在晶體中少，目前已知有Nd、Er、Ho、Tm等三價離子。稀土玻璃激光材料的優(yōu)點是：易于制備，利用熱成型和冷加工工藝可制得不同大小尺寸和形狀的玻璃，靈活性比晶體大，既可拉成直徑小至微米的纖維，又可制成幾厘米直徑和幾米長的棒或圓盤。稀土玻璃是目前輸出脈沖能量最大、輸出功率最高的固體激光材料，用這種激光材料制成的大型激光器用于熱核聚變的研究中。
（3）稀土上轉換激光材料，目前實現(xiàn)的激光波長主要是紅和紅外波段，極缺藍和綠激光波段，使激光的發(fā)展和應用受到影響。除倍頻技術使長波長的激光轉變?yōu)槎滩ㄩL激光外，近年來，人們利用發(fā)光學中的反斯托克斯效應，大力發(fā)展上轉換激光材料，并使之達到實用化、商品化。
（4） 稀土光纖激光材料，隨著集成光學和光纖維通迅的發(fā)展，需要有微型的激光器和放大器。90年代起，信息高速公路對信息的傳輸提出了更高的要求，多媒體技術要求能同時傳送圖、文、聲、像，而且是高度清晰的聲、像。信息高速公路要達到象樣的高速，一般的光纖通信技術傳送信息的速度差之甚遠，希望能以超高速、超長距離方式傳送信息需要跨越許多技術上的障礙，其中之一就是如何補充在長距離傳送過程中光衰減的能量。所以光信號直接放大就成為尚待解決的課題。其中摻鉺的光纖放大器能直接放大光信息，進行大容量、長距離通信，使光纖通信取得長足發(fā)展。
稀土材料是現(xiàn)在激光應用系統(tǒng)的心臟，也是現(xiàn)在激光技術應用的基礎。兩者的結緣使得現(xiàn)在的軍事、通訊、醫(yī)療材料加工、信息儲存、科研、檢測、防偽領域廣泛采用現(xiàn)在的激光應用技術，讓現(xiàn)在激光應用技術走進現(xiàn)在生產(chǎn)生活的眾多方面。
像現(xiàn)在光纖激光打標機中的激光器就采用稀土作為增益介質，所以在泵浦光的作用下光纖內(nèi)極易形成高功率密度，造成激光工作物質的激光能級“粒子數(shù)反轉”，當適當加入正反饋回路（構成諧振腔）便可形成激光振蕩輸出。
2017款高精度光纖激光打標機
高精度光纖激光打標機具有光束質量好，體積小、速度快、工作壽命長、安裝靈活方便以及免維護等特點。同時還性能穩(wěn)定，體積小巧，耗電量小，無高電壓無需龐大的水冷系統(tǒng)（僅需約300W），光束質量高，接近理想光束。可以集成電路芯片、電腦配件、工業(yè)軸承、鐘表、電子及通訊產(chǎn)品、航天航空器件、各種汽車零件、家電、五金工具、模具、電線電纜、食品包裝、首飾、煙草以及軍用事等眾多領域的圖形和文字進行精細化標記，而且還可以大批量生產(chǎn)線作業(yè)。
隨著激光技術的飛速發(fā)展，作為“工業(yè)維生素”的稀土，在激光應用領域中的應用將會更加緊密。
來源：稀土化合物與應用 |
中文版
ENGLISH
