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中科院展出一件“无价之宝”

来源:原创 日期:2018-07-20


图1 科技周上展出的钛宝石(摄影:徐雁龙)图1 科技周上展出的钛宝石(摄影:徐雁龙)

  从蓝宝石到钛宝石

  钛宝石是一种化学结构长程有序的晶体料,是蓝宝石中掺入了少量的钛元素所形成的。

     纯天然的蓝宝石主要成分是Al2O3,在其自然形成过程中,内部存在一些微量的杂质元素,所以导致其颜色显蓝色。 天然的蓝宝石闪闪发光的,可以用来做饰品,而且价格不菲。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。为了便于称呼,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(元素符号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。


钛宝石

  生长出来的钛宝石!

  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摄氏度)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。

  中科院上海光机所于2015年自主研发成功国内首台热交换法生长大尺寸钛宝石晶体设备。研究人员采用该设备,通过十多次晶体生长实验,优化晶体生长工艺参数,突破大尺寸钛宝石晶体生长关键技术,于2017年研制成功全球最大尺寸Ø235mm×72mm的优质钛宝石晶体。

图3 中科院上海光机所研制的热交换法大尺寸钛宝石晶体生长设备
钛宝石晶体

  是国之重器,也是美丽装饰

  如果费尽心机得到了钛宝石,你认为它仅仅是装饰用品,那就太小瞧它的“能量”了。

  大尺寸钛宝石晶体:激光充电宝!

  大尺寸钛宝石晶体是大科学实验装置——上海超强超短激光实验装置(SULF)的核心关键材料之一。它的主要用途是用来进行激光能量的放大,实现拍瓦级高峰值功率的激光输出。激光脉冲峰值功率达到拍瓦(即PW,1015W)、脉冲宽度达到数十飞秒级(即fs, 10-15s)的超强超短激光,是人类已知的最亮光源。钛宝石晶体在超强超短激光装置中扮演着“充电宝”的角色——将激光能量逐步提高放大。钛宝石晶体口径越大,吸收的能量越多,激光输出的功率也就越高。

  2017年10月中科院上海光机所研制的Ø235mm×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。


图5 应用于上海超强超短激光实验装置上的钛宝石晶体元件图5 应用于上海超强超短激光实验装置上的钛宝石晶体元件

  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。



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