“神奇”的稀土激光材料

霍知節

“光把我們帶進了一個光怪陸離的世界：X光，照見了動物的內臟;激光，刺穿了優質鋼板”[1]。艾青所著《光的贊歌》激情四溢，以詩歌的形式為我們描述了一種極富“個性”的新光源——激光（laser）。那到底什么是激光呢？又是來自于哪里？激光器、激光材料又是何物？稀土激光材料又是怎么回事？它們的“神奇用途”是什么？下面我們來逐一破解。

1? ?激光的“神奇”

什么是激光？激光，最初的名字為“鐳射”“萊塞”，意為：受激發射的光放大、產生的輻射光。意指某些特殊物質原子中的粒子，在受到光或者電的刺激后，會使其中能級較低的原子吸收能量后，變成能級較高的原子，進而輻射出相位、頻率、方向等完全相同的光，這就是“神奇”的激光。

1.1? ?“神奇”在哪里

激光的“神奇”在哪里呢？一是方向性好 （圖1），近乎是一束平行光，哪怕是投射到遙遠的月球，其光束擴散直徑也不會超2km。二是單色性好（圖2），顏色純正，亮度極高。三是相干性好 （圖3），源自受激輻射產生的相干光束，故而空間和時間的相干性都是極好的。四是能量高度集中，可獲得極強的輸出功率，因其發散角很小，照射形成的光斑極小，故單位面積的輻射能極高，集中的高能量在“千鈞一發”之際，可以將天下的各路材料瞬間熔化或汽化，真可謂無堅不摧。

“神奇”的激光原理又是什么呢？享譽世界的美國物理學家——愛因斯坦，也就是“激光之父”，在1916 年發現了偉大的“激光原理”。該理論的基本內容是：①假設原子、分子或離子等微觀粒子，有高低2個分立能級，對應能量E2、E1，粒子數密度N2、N1。②存在著3種能級躍遷：第一種自發發射，不受外界電磁場作用下，高能級上粒子自發地躍遷到低能級，同時發射出光子，其能量為△E=E2-E1;第二種受激吸收，低能級E1上的粒子如受激于一定頻率（頻率為：ν= △E/h，h為普朗克常量） 的電磁波，則可吸收入射的電磁波而發生躍遷，至高能級E2;第三種受激發射，高能級E2上的粒子如與一定頻率的電磁波相互作用，則可躍遷至低能級E1并發射出光子，其頻率、位相、偏振以及傳播方向均與入射電磁波相同，而且是相干的。③上述受激后的發射、吸收過程，不僅同時存在而且躍遷幾率相等。因為在熱平衡條件下，低能級粒子的數量多于高能級，所以受激后總是吸收多于發射，故而通常也就只看到受激吸收現象，而不容易見到受激發射。

1.2? ?“激光器”的問世

由于當時客觀條件所限，科學家們未能認識到愛因斯坦激光理論的實踐價值，也未能引起人們對其現實應用的重視。1953年，美國物理學家查爾斯·哈德·湯斯 （Charles Hard Townes，榮獲1964年諾貝爾物理學獎） 和他的學生阿瑟·肖洛（Arthur Schawlow，美國物理學家，1981年獲諾貝爾物理學獎），首次研制成功了微波量子放大器，微波受激后發射放大，可以獲得高度相干的微波束，換言之，微波放大器就是激光器的前身。此后4年，湯斯的博士生不僅創造了單詞“laser”，而且提出“用光激發原子可以產生一束相干強光”的理論。1958年，湯斯與其合作者將微波量子放大器原理，進一步推廣到光頻范圍加以應用，“激光器”可謂是呼之欲出。

那“激光器”又是什么？簡言之，就是能夠發射激光的裝置。1960年，“激光器”在充足的理論準備下，以及迫切的生產需求推動下橫空出世。美國休斯實驗室的年輕科學家T·H·西奧多·梅曼（Theodore H Maiman）制成了世界上第1臺紅寶石激光器[2]。人類獲得了第1束波長為0.6943μm的激光，首次將其引入實用領域。該激光器以一高強閃光燈管激發紅寶石﹝摻有鉻（Cr）原子的剛玉﹞，其表面鍍有反光鏡并鉆一小孔，激發產生的紅光從該孔射出后，高度聚集為纖細的紅色光柱，其聚焦溫度要高于太陽的表面溫度。同年，半導體激光器被前蘇聯科學家研發成功，獲得了響應速度快、可調制、相干性好的激光。1961年伊朗科學家研發成功了氦氖激光器。緊接著第2年，R·N·霍耳等人發明了砷化鎵半導體激光器，開拓了激光器發展的新路徑。1965年二氧化碳激光器研發成功，這是第1臺大功率激光器。此后2年，第1臺X射線激光器問世。1997年第1臺原子激光器“降生”于美國麻省理工學院。2013年8月2日英國 《自然·通訊》 雜志刊出，南非科研人員研發出世界首個數字激光器。致力于激光研究的科學家們，先后已有10位獲得了諾貝爾物理學獎，不斷刷新了激光研究領域的新記錄。

1.3? “激光器”的原理

為什么激光器的問世滯后于愛因斯坦提出的激光理論四十多年呢？因為從技術上突破“粒子數反轉”，是產生激光的必要條件，“粒子數反轉”又是何意呢？就是要打破愛因斯坦激光原理的第3條平衡態時的粒子分布狀態，使受激輻射占優勢，也就是說必須使粒子數量，處于高能級的粒子要遙遙領先或大于低能級的粒子。當粒子的實際分布狀態與平衡態時的粒子分布相反，稱其為“粒子數反轉分布”，即“粒子數反轉”。

換言之，激光產生的必要條件：“粒子數反轉”“增益要大于損耗”。這就決定了“激光器”中2個重要組成部分：激勵源、具有亞穩態能級的工作介質。“激勵源”通過光學、電學、化學、核能等激勵手段，從而為實現并維持“粒子數反轉”創造條件，并為亞穩能級的“工作介質”提供可吸收外來能量，使其受激輻射為激發態，并成為主流，以實現光放大?！爸C振腔”雖并非是激光器的核心部件，但其功能也決不可忽略不計。主要是確保其內部的光子“高度統一”，如頻率和相位，包括光子的運動方向，才可能確保激光良好的方向性和相干性，以及恰到好處地縮短工作物質的長度。

2? “神奇”的稀土激光材料

2.1? ?激光材料為何物

激光材料（laser material）是指把各種泵浦（電、光、射線）能量轉換成激光的材料[3]。 也就是激光器的“工作物質”，主要以固體激光材料為主，呈現為凝聚態物質，可分為2類：半導體激光材料，以電激勵為主的異質結構，由半導體薄膜組成，用外延方法和氣相沉積方法制得。通常據激光的波長，決定采摻雜半導體材料[4]。另一類是通過分立發光中心吸收光泵能量后，轉換成激光輸出的發光材料。通常以固體電介質為基質，其中激光晶體的激活離子處于有序結構的晶格中;非晶態玻璃中的激活離子處于無序結構的網絡中。非線性晶體，具有對激光束調幅、調頻、調偏、調相的功能;在傳輸過程中，能夠修正畸變激光圖像的晶體;以及能夠靈敏捕捉紅外光的熱電探測晶體等。若把激光工作物質置于諧振腔內，則光輻射在諧振腔內沿軸線方向往復反射傳播，多次通過工作物質，使光輻射被放大了很多倍（光放大），從而形成一束強度很大、方向集中的光束（激光）[5]。常用的激光材料主要有物理性質和化學穩定性良好、硬度和機械強度較高的氧化物材料;還包括氧化物和氟化物材料，具有低的聲子頻率、寬的光譜透過范圍和高的發光量子效率[6]。

2.2? ?稀土激光材料為何物

稀土激光材料是一種單色性、方向性、相干性極好的激光材料，那么稀土又是如何”打入“激光材料“內部”的呢？早在1958年美國的2位科學家，肖洛和湯斯就發現了“激光現象”：當某一稀土晶體，被氖光燈照射時，能夠產生色彩艷麗且高度集中的強光束（激光）。據此他們提出自己的“激光原理”：物質被恰當的能量激發時，都會產生激光。后將該內容著文發表，并獲得1964年的諾貝爾物理學獎。

稀土激光材料與激光技術可謂是“孿生兄弟”，激光技術誕生的同年就發現用釤（Sm）的氟化鈣（ CaF2 ：Sm3+ ）輸出脈沖激光。此后，稀土與激光聯手打造了在材料界“攻城奪地的神話”，應用和發展神速。迄今為止，已獲得激光輸出的稀土離子有14種，涉及的基質晶體包括氯化物、氧化物、復合氯化物、復合氧化物等170多種晶體和一些其他形態的物質[7]。在現有激光材料激活劑中，9成以上都摻有稀土離子，足見稀土在激光材料中舉足輕重的位置，這是為什么呢？稀土是激光工作物質中極其重要的元素，這是由其特殊的電子組態、眾多的可利用的能級、光譜特性決定的。其中的原理又是什么呢？

2.3? ?稀土激光材料的原理

稀土激光材料的兩端裝都有反射鏡，兩面反射鏡對激光波長具有不同的反射率，將其置于內襯銀（Ag） 或鋁 （AI）等反射材料的“聚光器”中，然后以脈沖氙燈、氪燈、發光二極管、激光等作為“光泵”即“激發光源”（圖4），其發出的光被“稀土激活離子”吸收后，便使“稀土離子”從“基態1”激發至“能級4”，再無輻射弛豫至“亞穩態3”，當從亞穩態3以輻射弛豫的方式返回到基態1或能級2時，發出的光在稀土激光材料兩端的反射鏡間，來回產生振蕩，當增益大于損耗，滿足生產激光的條件時，就從鏡子反射率低的一端輸出激光（圖5）。

鑭系元素和錒系元素激光材料幾乎都已實現了光泵浦，在不同介質中鑭系元素激發光發射波長分布范圍不同。14種稀土離子中，激光發射波長最短的是釓（Gd3+），最長的是鏑 （Dy3+）。在可見光區有鐠（Pr3+）、鋱 （Tb3+）、鈥（Ho3+）、銪（Eu3+）、Sm3+;在紅外光區有釹 （Nd3+）、鐿 （Yb3+）、鉺（Er3+）、銩（Tm3+）、Dy3+ [8]。

2.4? 稀土激光材料的“家族”

稀土激光材料主要有固體、液體、氣體“大家族”，固體材料家族在性能、種類和用途等方面，均無情地碾壓了液體和氣體2大材料家族，因此“固體激光材料家族”通常就是稀土激光材料的“全權代表”。固體材料家族又劃分為“三大門派”：晶體、玻璃、光纖激光材料，其中的稀土激光晶體材料又占主導地位，可謂是“權傾朝野”。

早在1960年，科學家們就發現了使用摻有稀土Sm2+的 CaF2，可以輸出脈沖激光。1961年，“玻璃門派”下“稀土玻璃激光材料”問世，科學家們采用摻有稀土Nd的硅酸鹽玻璃，獲得了脈沖激光，就此拉開了稀土玻璃激光器的科學研究和實際應用的大幕。1962年，含稀土釹（CaWO4：Nd3+）的晶體獲得了輸出連續的激光，稀土晶體激光器問世。1963年，使用摻有稀土Eu的苯酰丙酮的醇溶液，獲得了脈沖激光，首次研制成功稀土螯合物液體激光材料，標志著稀土激光材料“液體家族”誕生。1964年，科學家們在室溫下研發出了摻有釹的釔 （Y）鋁石榴石晶體（Y3Al5O12：Nd3+），獲得了可輸出的連續激光，這便是后來被廣泛使用的稀土固體激光材料。1973年，首次研發出銪—氦稀土金屬蒸氣的激光振蕩，稀土激光材料“氣體家族”閃亮登場。僅僅14年的時間，稀土一族憑借令其他元素無法匹敵的先天優勢，獨特的電子組態、多能級和光譜特性，其固態、液態和氣態材料都實現了受激發射。在激光工作物質中，稀土激光材料的“3大家族”號令天下。這些特性使激光在國民經濟、現代科技和國防工業等領域占據重要地位，成為一項蓬勃發展的新技術，日益成為當代國際上引人注目的高新技術。

3? 激光的“神奇”用途

激光極大地推動了生產力的迅猛發展，激光科學與技術催生了一門新的朝陽產業。進入20世紀，原子能、半導體、計算機及互聯網等高科技推進神速，激光被贊譽為“最快的刀”“最準的尺”“最亮的光”，成為人類的又一重大發眀，書寫了其用途的“神奇”篇章。

3.1? 醫學領域的“神奇”

①激光診療。激光在醫學領域主要將其用于診斷和治療，以及生命科學的研究。激光的臨床治療又分為手術治療、非手術治療以及光動力治療。激光手術治療，開刀痛苦輕、感染少。1961年，激光首次被用于外科手術，治療視網膜腫瘤;1991年，激光首次用于治療近視;2008年，首次使用光導纖維激光治療腦瘤。醫學激光系統據其臨床作用而定，以牙科為例，激光對人體組織的作用，首先與其波長有關，如可見光及近紅外光譜范圍的光線，治療牙體組織的部位較深，而穿透能力差的激光，可治療的透牙體組織也較淺，僅僅為零點幾毫米或更淺。其次，在診斷學中，激光的強度（功率）是非常重要的因素，實際應用僅為幾毫瓦特的二極管激光，臨床用于治療的中強度激光也僅有幾瓦特。最后，激光的發射方式也決定著治療的效果，如短脈沖連續發射的激光，可以獲得一千瓦特或更高強度、吸光性好的激光，用于清除硬組織。

②激光美容。能量高、聚焦精、穿透力強的激光照射人體組織產生高熱量后，可去除或破壞目標組織。激光儀利用這一原理，采用各種不同波長的脈沖激光，治療雀斑、老年斑等;用激光治療鮮紅斑痣，其周圍組織損傷小、無疤痕、無色素沉著，是該疾病治療史上的一次革命。激光還可治療毛細血管擴張的各種血管性皮膚病，特定波長的激光被含氧血紅蛋白選擇吸收后，精確安全地使血管發病組織被高度破壞，不影響鄰近組織，達到精準治療。用激光治療眼袋，不出血、無需縫合、水腫輕、恢復快，無瘢痕的諸多優點，令傳統手術望塵莫及。此外，稀土Er激光則用于除皺、磨皮、換膚、美白牙齒及打鼾治療。激光除皺術，高能量、極短脈沖激光使老化和受損的皮膚組織瞬間汽化，且不出血，精確控制皮膚表層的深度，不傷周圍組織。同時新生的膠原質可以補充到流失的膠原，皮膚褶皺被填充，另外真皮組織層被加熱，促進了人體組織的二次生長，真皮層的厚度增加?？梢哉f，激光高科技開啟了醫學美容的新紀元。

3.2? 軍事領域的“神奇”

①激光武器。1983年，美國總統里根在“星球大戰”計劃演講中，繪聲繪色地描繪了太空戰的激光武器。它有何威力呢？激光以30萬km/s的速度飛行，變向靈活，瞄準即中，積聚高能量，無發射性污染。它又是如何擊毀目標呢？第1大絕技“穿孔術”，高功率和高密度的激光束擊中目標后，可將其表面材料瞬間熔化、汽化或蒸發，所產生的向外噴射的汽化物，能夠形成極大的沖擊波使其穿孔。第2大絕技“層裂術”，在高能量強激光作用下，擊中目標的表面材料原子使其電離成等離體“云”向外膨脹而噴射，所產生的應力波將目標材料徹底拉斷，并將其撕裂，這就是所謂的“層裂術”的威力。威力無比的等離體“云”，還有它的殺手锏紫外線或X光，則完全可以毀滅敵方目標結構和電子元件。

激光武器又有哪些類型呢？主要分為戰術激光武器、戰略激光武器2大類。在戰術激光武器中，激光作為能量直接殺傷敵方人員、擊毀目標。主要代表有激光槍和激光炮，能發出強激光束攻擊敵方。激光槍的樣式與普通步槍相似，由激光器、激勵器、擊發器和槍托構成，1978年美國制造出了第一支激光槍。戰術激光武器的“挖眼術”，不但使飛機失控墜毀，炮手喪失戰斗力，還可摧毀參戰士兵心理防線，威懾力遠超于常規武器。1982年，在馬島戰爭中，英國就在航空母艦和護衛艦安裝了激光致盲武器，使阿根廷的戰機或誤入英軍的射擊火網或失控墜毀，可見其威力。

戰略激光武器，主要是遠距離攻擊洲際導彈、偵察衛星、通信衛星等。1975年，美國的2顆偵察衛星，就被前蘇聯的激光武器擊中，使其成為“瞎子”。20世紀70年代以來，美俄2國積極研發反衛星和反戰略導彈的各類激光武器試驗。可見，高基高能激光武器是世界軍事大國宇宙空戰的利器，居高臨下實施閃擊戰，以摧毀敵方的各類衛星和洲際導彈等。如化學、準分子、自由電子、調射線等激光器，用于研制五花八門的反戰略導彈激光武器。

②激光雷達，特指以激光器作為輻射源的雷達，是激光和雷達2種技術“聯姻”的產生物。通常采用脈沖、連續波2種工作方式，其發射機就是各式激光器，如摻釹釔鋁石榴石激光器、半導體激光器、二氧化碳激光器等。光學望遠鏡是其天線，如半導體光電二極管、光電倍增管等，各式光電探測器是其接收機，還包括跟蹤架及信息處理等部件。激光雷達的2種主要探測方法：直接探測和外差探測。

3.3? 通信領域的“神奇”

激光通信（圖6），指以激光為媒介在大氣空間中傳輸信息的一種通信方式。發送的“信息”先轉換成電信號，經“光調制器”將其調制于“激光器”（光源）的激光束中，“光學發射天線”（透鏡）將其發射出去，在空間中運行至目的地。通過“光學發射天線”接獲“光信號”，使其聚焦后送交“光檢測器”，然后恢復為電信號，并還原為“信息”接收完成。激光通信的優點：信息容量大、保密性高，抗電磁干擾能力強。早期“激光器（光源）”多采用二氧化碳激光器、氦—氖激光器等，傳輸能力較為理想。此后，激光通信研究很長時間徘徊不前，1988年巴西研制成功便攜式半導體激光通信系統。1989年，美國研制出1種短距離、隱蔽式激光通信系統，將其試用于戰爭，完全符合作戰要求。進入20世紀90年代，俄羅斯研發的大功率半導體激光器，將激光通信系統推入實用化研究的快車道。半導體激光器、光學天線等制作技術的提升，信號壓縮編碼等技術日臻完善，激光大氣通信的發展蓄勢待發。

3.4? 工業和加工領域的“神奇”

①激光玻璃，是以玻璃為基質的固體激光材料，主要用于高功率和高能量激光器。由基質玻璃和激活離子組成，前者決定其各種物理化學性質，后者決定光譜性質，當然彼此間也會“合作”。

②激光冷卻，這一高新技術，主要是利用激光和原子的相互作用，使原子減速運動，從而獲得超低溫原子。主要應用于原子光學、原子鐘、原子激光、高分辨率光譜，以及光和物質相互作用的基礎研究領域。

③激光傳感器，由激光器、激光檢測器、新型測量儀表等組合而成，以激光技術進行測量的傳感器。1969年，激光遙感器就被用于勘測地球與月球間的距離，并獲得了較精確的數據。激光測速快、精度高的特點，尤其適合無接觸的遠距離測量。

④激光測云儀，該儀器主要通過激光照射大氣層，使其能量衰減，依據其能量的衰減程度以及云層水分子的含量，來判斷云層結構和距離。

⑤激光加工（圖7）， 激光束用于材料的加工處理，如切割、焊接、打孔、微加工，以及識別物體的技術，如1974年研發的第1個超市條形碼掃描器。激光還用于加工系統和工藝技術，涂敷和熱處理，以及快速成型等。激光聚焦到1個小斑點上，其尺寸近似光的波長，該處的功率密度可達107～1011W/cm2，溫度可達萬度以上，亮度約等于100億倍的太陽光。高能量激光聚焦照射加工材料，使其急劇熔化、瞬時氣化，強烈的沖擊波使熔化物爆炸式噴濺，使材料剝離或去除。計算機數控技術融入了激光加工系統，加工技術體系得以實現了高效化和自動化，使加工生產更加優質和高效。

4? ?我國的“激光神奇”

20世紀60年代初，中國的激光技術迎頭趕上，以鄧錫銘（圖8）為代表的光學、激光科學家們積極開拓激光科技領域，先后主持研制成功第1臺紅寶石激光器、氦氖氣體激光器，獨立提出“激光器Q開關原理”“光流體模型”，發明了“列陣透鏡”。推進了高功率激光驅動器及激光聚變的研究，建成了最大的激光裝置——“神光”（圖9），以此裝置在慣性約束聚變、X光激光等高科技前沿領域，并取得了系列重大科研成果，為我國的激光事業作出了杰出貢獻。

1964年，我國著名物理學家王淦昌院士（圖10），提出了“激光核聚變”初步理論，此后該領域的研究處于世界領先地位。1974年，我國采用一路激光驅動聚氘乙烯靶產生核反應，觀察到氘氘反應產生的中子[9]。此后，著名理論物理學家于敏院士 （圖11）提出了一系列實現激光核聚變的新概念及新理念。1986年，聶榮臻元帥特意致信祝賀“神光”的成功研發，這是我國自主研發的激光核聚變實驗裝置。

此外，工業激光領域研發成果及其市場的開拓也碩果不斷，尤其是大功率激光切割機。國內研發與生產力度的加大，縮小了與國外產品的質量和價格差距。2010年上海國際工業博覽會上，來自世界各地20家生產商參展，帶來了30臺大功率數控激光切割機，我國的三維激光切割機、光纖激光切割機等新產品，成為展會的亮點。但是，我國的激光產業鏈還未形成，主要瓶頸是新型大功率激光器及其核心部件依賴于國外技術，如電容切割頭和光學鏡片的研發能力有待提高，想要與國外技術抗衡，還任重道遠。

5? 結語

隨著信息化和智能化新時代的到來，信息在我們現代社會生活中的重要性前所未有。激光引發的人類“信息革命”，無論是光盤存儲還是激光照排，不僅極大地提高了生產和工作效率，更便捷于信息的存儲和提取，而且激光的時空控制性強，加工自由度高。我們要持續提升激光技術，推進其應用發展，牢牢抓住“激光革命”的機遇與挑戰，為人類創造更多的“激光奇跡”。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.04.018

參考文獻

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[5] 劉光華.稀土材料與應用技術[M].北京：化學工業出版社，2005：335.

[6] 360百科.激光材料EB/OL（2021—06—15）.https：//baike.so.com/doc/5798778-6011573.html.

[7] 劉光華.稀土材料與應用技術[M].北京：化學工業出版社，2005：335—336.

[8] 劉小珍.稀土精細化學品化學[M].北京：化學工業出版社，2009：127.

[9] 激光核聚變：沒有輻射的核反應[EB/OL].（2021—06—15）.