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人们希望获得纯度非常高的Al2O3晶体

时间:2018-05-20 13:13 作者:admin 点击:

 2017年10月中科院上海光机所研制的?235mm×72mm钛宝石晶体成功应用于上海超强超短激光实验装置SULF,钛宝石主放大器输出的纳秒级脉冲最高能量达到339 J,压缩后激光脉冲的最高峰值功率达到10.3拍瓦,这是目前已知的最高激光脉冲峰值功率,处于世界领先水平。
 
  基于大尺寸钛宝石晶体实现拍瓦级高峰值功率的激光,有望被用于研制激光质子刀以治疗癌症,制造台式化电子加速器和产生超快X射线源对蛋白质探测成像,研究天体物理和宇宙起源等。天然的蓝宝石是蓝色的、亮晶晶的,可以用来做装饰,且价格不菲。天然蓝宝石的化学成分主要是Al2O3,在其自然形成过程中,存在一些微量的杂质元素,导致其颜色显蓝色。在工业上或实验室里,人们希望获得纯度非常高的Al2O3晶体,自然的,这样的晶体就不会显示蓝色了,而是无色透明的。为了顺延称谓,人们将这种高纯度、无色透明的Al2O3晶体也称为“蓝宝石”。
 
  本文中的主角——钛宝石晶体,就是在这种无色透明的蓝宝石中,通过模拟自然形成环境(如高温环境等)人为地掺杂一些钛(化学元素:Ti)离子,称之为人工晶体生长。这种人工宝石晶体显示出淡红色。
 
  自然界中没有发现过钛宝石,只能在实验室中通过模拟天然宝石形成的环境进行人工制备——晶体生长。
 
  可以用来实现钛宝石晶体生长的方法包括热交换法、提拉法、温度梯度法和泡生法等,都是将原料在高温条件下(约2050 oC)熔化为熔体,再对熔体结晶从而形成钛宝石。
 
  目前国内外用来生长大尺寸(直径>150mm)钛宝石晶体的方法是热交换法。它的基本原理是:加热使坩埚中的原料熔化成为熔体,在坩埚底部竖置一个耐高温的金属管(热交换杆),在热交换杆里面通入流动的氦气(热交换气)将熔体底部的热量逐步带走,使熔体温度低于材料的熔点,实现熔体从底部逐渐往上缓慢结晶,最终形成钛宝石晶体。