稀有鈦寶石讓“國(guó)之重器”生輝
日前，在全國(guó)科技周科技創(chuàng)新成果展上，上海超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置的模型旁，赫然擺著一塊直徑達(dá)195mm的紫紅色“寶石”。這是一塊鈦寶石，晶瑩剔透，引發(fā)了觀眾的好奇，它跟旁邊的“國(guó)之重器”有啥關(guān)系？
中科院上海光機(jī)所鈦寶石課題負(fù)責(zé)人杭寅研究員對(duì)科技日?qǐng)?bào)記者介紹說，這塊大尺寸鈦寶石，人們眼里的美麗裝飾用品，卻具備大“能量”。它是大科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置——上海超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置的核心關(guān)鍵材料之一，它的主要用途是用來進(jìn)行激光能量的放大，實(shí)現(xiàn)拍瓦級(jí)高峰值功率的激光輸出。
激光脈沖峰值功率達(dá)到拍瓦、脈沖寬度達(dá)到數(shù)十飛秒級(jí)的超強(qiáng)超短激光，是人類已知的最亮光源。鈦寶石晶體在超強(qiáng)超短激光裝置中猶如“人的心臟”，少了它，超強(qiáng)超短激光就沒辦法產(chǎn)生。鈦寶石晶體口徑越大，吸收的能量越多，激光輸出的功率也就越高。
自然界中沒有發(fā)現(xiàn)過鈦寶石，鈦寶石不是挖出來的，而是在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行人工制備晶體長(zhǎng)出來的！據(jù)介紹，鈦寶石是一種化學(xué)結(jié)構(gòu)有序的晶體材料，是藍(lán)寶石中摻入了一些鈦元素所形成的。高純度、透明的藍(lán)寶石，也就是平常我們說的“白寶石”，它的化學(xué)成分主要是氧化鋁。鈦寶石晶體，就是在氧化鋁中，人為地?fù)诫s一些鈦離子，通過二千多度的高溫環(huán)境慢慢生長(zhǎng)出來的，稱之為人工晶體生長(zhǎng)。這種人工寶石晶體顯示出淡紅色。
中科院上海光機(jī)所于2015年自主研發(fā)成功國(guó)內(nèi)首臺(tái)熱交換法生長(zhǎng)大尺寸鈦寶石晶體設(shè)備。有了該國(guó)產(chǎn)化設(shè)備，研究人員才得以通過十多次晶體生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化晶體生長(zhǎng)工藝參數(shù)，突破大尺寸鈦寶石晶體生長(zhǎng)關(guān)鍵技術(shù)，于2017年研制成功全球最大尺寸、直徑達(dá)235毫米的優(yōu)質(zhì)鈦寶石晶體。而在此之前，研究人員只能從國(guó)外購(gòu)買大尺寸鈦寶石晶體，尺寸僅200毫米，還需要等待長(zhǎng)達(dá)兩年的交貨期。
杭寅說，目前10拍瓦激光主放大器采用的大尺寸鈦寶石晶體，由中科院上海光機(jī)所自主研制，在晶體尺寸、光學(xué)均勻性、激光輸出功率等指標(biāo)均處于國(guó)際領(lǐng)先水平。
鈦寶石熔點(diǎn)高達(dá)2050攝氏度，硬度僅次于金剛石，鋁和鈦離子的半徑相差30%，大尺寸晶體生長(zhǎng)和加工的難度非常高。大尺寸鈦寶石晶體的熱應(yīng)力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力都很大，容易產(chǎn)生氣泡，晶體易開裂，需要近兩個(gè)月才能長(zhǎng)出來。
基于大尺寸鈦寶石晶體實(shí)現(xiàn)拍瓦級(jí)高峰值功率的超強(qiáng)超短激光，應(yīng)用非常廣泛。有望被用于開展高能物理、核物理等能產(chǎn)生極端條件的科學(xué)研究，用于光譜測(cè)量、激光精密加工等小型激光器，研究天體物理和宇宙起源等。
此外，“鈦寶石”顧名思義，同時(shí)也是一種“寶石”，它具有寶石美麗、稀少、耐久的基本特點(diǎn)。目前，合成寶石不失為避免天然礦物資源過度開發(fā)的有效方式，未來有很大的應(yīng)用前景。
