“神奇”的稀土激光材料

霍知节

“光把我们带进了一个光怪陆离的世界：X光，照见了动物的内脏;激光，刺穿了优质钢板”[1]。艾青所著《光的赞歌》激情四溢，以诗歌的形式为我们描述了一种极富“个性”的新光源——激光（laser）。那到底什么是激光呢？又是来自于哪里？激光器、激光材料又是何物？稀土激光材料又是怎么回事？它们的“神奇用途”是什么？下面我们来逐一破解。

1   激光的“神奇”

什么是激光？激光，最初的名字为“镭射”“莱塞”，意为：受激发射的光放大、产生的辐射光。意指某些特殊物质原子中的粒子，在受到光或者电的刺激后，会使其中能级较低的原子吸收能量后，变成能级较高的原子，进而辐射出相位、频率、方向等完全相同的光，这就是“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 （图1），近乎是一束平行光，哪怕是投射到遥远的月球，其光束扩散直径也不会超2km。二是单色性好（图2），颜色纯正，亮度极高。三是相干性好 （图3），源自受激辐射产生的相干光束，故而空间和时间的相干性都是极好的。四是能量高度集中，可获得极强的输出功率，因其发散角很小，照射形成的光斑极小，故单位面积的辐射能极高，集中的高能量在“千钧一发”之际，可以将天下的各路材料瞬间熔化或汽化，真可谓无坚不摧。

“神奇”的激光原理又是什么呢？享誉世界的美国物理学家——爱因斯坦，也就是“激光之父”，在1916 年发现了伟大的“激光原理”。该理论的基本内容是：①假设原子、分子或离子等微观粒子，有高低2个分立能级，对应能量E2、E1，粒子数密度N2、N1。②存在着3种能级跃迁：第一种自发发射，不受外界电磁场作用下，高能级上粒子自发地跃迁到低能级，同时发射出光子，其能量为△E=E2-E1;第二种受激吸收，低能级E1上的粒子如受激于一定频率（频率为：ν= △E/h，h为普朗克常量） 的电磁波，则可吸收入射的电磁波而发生跃迁，至高能级E2;第三种受激发射，高能级E2上的粒子如与一定频率的电磁波相互作用，则可跃迁至低能级E1并发射出光子，其频率、位相、偏振以及传播方向均与入射电磁波相同，而且是相干的。③上述受激后的发射、吸收过程，不仅同时存在而且跃迁几率相等。因为在热平衡条件下，低能级粒子的数量多于高能级，所以受激后总是吸收多于发射，故而通常也就只看到受激吸收现象，而不容易见到受激发射。

1.2   “激光器”的问世

由于当时客观条件所限，科学家们未能认识到爱因斯坦激光理论的实践价值，也未能引起人们对其现实应用的重视。1953年，美国物理学家查尔斯·哈德·汤斯 （Charles Hard Townes，荣获1964年诺贝尔物理学奖） 和他的学生阿瑟·肖洛（Arthur Schawlow，美国物理学家，1981年获诺贝尔物理学奖），首次研制成功了微波量子放大器，微波受激后发射放大，可以获得高度相干的微波束，换言之，微波放大器就是激光器的前身。此后4年，汤斯的博士生不仅创造了单词“laser”，而且提出“用光激发原子可以产生一束相干强光”的理论。1958年，汤斯与其合作者将微波量子放大器原理，进一步推广到光频范围加以应用，“激光器”可谓是呼之欲出。

那“激光器”又是什么？简言之，就是能够发射激光的装置。1960年，“激光器”在充足的理论准备下，以及迫切的生产需求推动下横空出世。美国休斯实验室的年轻科学家T·H·西奥多·梅曼（Theodore H Maiman）制成了世界上第1台红宝石激光器[2]。人类获得了第1束波长为0.6943μm的激光，首次将其引入实用领域。该激光器以一高强闪光灯管激发红宝石﹝掺有铬（Cr）原子的刚玉﹞，其表面镀有反光镜并钻一小孔，激发产生的红光从该孔射出后，高度聚集为纤细的红色光柱，其聚焦温度要高于太阳的表面温度。同年，半导体激光器被前苏联科学家研发成功，获得了响应速度快、可调制、相干性好的激光。1961年伊朗科学家研发成功了氦氖激光器。紧接着第2年，R·N·霍耳等人发明了砷化镓半导体激光器，开拓了激光器发展的新路径。1965年二氧化碳激光器研发成功，这是第1台大功率激光器。此后2年，第1台X射线激光器问世。1997年第1台原子激光器“降生”于美国麻省理工学院。2013年8月2日英国 《自然·通讯》 杂志刊出，南非科研人员研发出世界首个数字激光器。致力于激光研究的科学家们，先后已有10位获得了诺贝尔物理学奖，不断刷新了激光研究领域的新记录。

1.3  “激光器”的原理

为什么激光器的问世滞后于爱因斯坦提出的激光理论四十多年呢？因为从技术上突破“粒子数反转”，是产生激光的必要条件，“粒子数反转”又是何意呢？就是要打破爱因斯坦激光原理的第3条平衡态时的粒子分布状态，使受激辐射占优势，也就是说必须使粒子数量，处于高能级的粒子要遥遥领先或大于低能级的粒子。当粒子的实际分布状态与平衡态时的粒子分布相反，称其为“粒子数反转分布”，即“粒子数反转”。

换言之，激光产生的必要条件：“粒子数反转”“增益要大于损耗”。这就决定了“激光器”中2个重要组成部分：激励源、具有亚稳态能级的工作介质。“激励源”通过光学、电学、化学、核能等激励手段，从而为实现并维持“粒子数反转”创造条件，并为亚稳能级的“工作介质”提供可吸收外来能量，使其受激辐射为激发态，并成为主流，以实现光放大。“谐振腔”虽并非是激光器的核心部件，但其功能也决不可忽略不计。主要是确保其内部的光子“高度统一”，如频率和相位，包括光子的运动方向，才可能确保激光良好的方向性和相干性，以及恰到好处地缩短工作物质的长度。

2  “神奇”的稀土激光材料

2.1   激光材料为何物

激光材料（laser material）是指把各种泵浦（电、光、射线）能量转换成激光的材料[3]。 也就是激光器的“工作物质”，主要以固体激光材料为主，呈现为凝聚态物质，可分为2类：半导体激光材料，以電激励为主的异质结构，由半导体薄膜组成，用外延方法和气相沉积方法制得。通常据激光的波长，决定采掺杂半导体材料[4]。另一类是通过分立发光中心吸收光泵能量后，转换成激光输出的发光材料。通常以固体电介质为基质，其中激光晶体的激活离子处于有序结构的晶格中;非晶态玻璃中的激活离子处于无序结构的网络中。非线性晶体，具有对激光束调幅、调频、调偏、调相的功能;在传输过程中，能够修正畸变激光图像的晶体;以及能够灵敏捕捉红外光的热电探测晶体等。若把激光工作物质置于谐振腔内，则光辐射在谐振腔内沿轴线方向往复反射传播，多次通过工作物质，使光辐射被放大了很多倍（光放大），从而形成一束强度很大、方向集中的光束（激光）[5]。常用的激光材料主要有物理性质和化学稳定性良好、硬度和机械强度较高的氧化物材料;还包括氧化物和氟化物材料，具有低的声子频率、宽的光谱透过范围和高的发光量子效率[6]。

2.2   稀土激光材料为何物

稀土激光材料是一种单色性、方向性、相干性极好的激光材料，那么稀土又是如何”打入“激光材料“内部”的呢？早在1958年美国的2位科学家，肖洛和汤斯就发现了“激光现象”：当某一稀土晶体，被氖光灯照射时，能够产生色彩艳丽且高度集中的强光束（激光）。据此他们提出自己的“激光原理”：物质被恰当的能量激发时，都会产生激光。后将该内容著文发表，并获得1964年的诺贝尔物理学奖。

稀土激光材料与激光技术可谓是“孪生兄弟”，激光技术诞生的同年就发现用钐（Sm）的氟化钙（ CaF2 ：Sm3+ ）输出脉冲激光。此后，稀土与激光联手打造了在材料界“攻城夺地的神话”，应用和发展神速。迄今为止，已获得激光输出的稀土离子有14种，涉及的基质晶体包括氯化物、氧化物、复合氯化物、复合氧化物等170多种晶体和一些其他形态的物质[7]。在现有激光材料激活剂中，9成以上都掺有稀土离子，足见稀土在激光材料中举足轻重的位置，这是为什么呢？稀土是激光工作物质中极其重要的元素，这是由其特殊的电子组态、众多的可利用的能级、光谱特性决定的。其中的原理又是什么呢？

2.3   稀土激光材料的原理

稀土激光材料的两端装都有反射镜，两面反射镜对激光波长具有不同的反射率，将其置于内衬银（Ag） 或铝 （AI）等反射材料的“聚光器”中，然后以脉冲氙灯、氪灯、发光二极管、激光等作为“光泵”即“激发光源”（图4），其发出的光被“稀土激活离子”吸收后，便使“稀土离子”从“基态1”激发至“能级4”，再无辐射弛豫至“亚稳态3”，当从亚稳态3以辐射弛豫的方式返回到基态1或能级2时，发出的光在稀土激光材料两端的反射镜间，来回产生振荡，当增益大于损耗，满足生产激光的条件时，就从镜子反射率低的一端输出激光（图5）。

镧系元素和锕系元素激光材料几乎都已实现了光泵浦，在不同介质中镧系元素激发光发射波长分布范围不同。14种稀土离子中，激光发射波长最短的是钆（Gd3+），最长的是镝 （Dy3+）。在可见光区有镨（Pr3+）、铽 （Tb3+）、钬（Ho3+）、铕（Eu3+）、Sm3+;在红外光区有钕 （Nd3+）、镱 （Yb3+）、铒（Er3+）、铥（Tm3+）、Dy3+ [8]。

2.4  稀土激光材料的“家族”

稀土激光材料主要有固体、液体、气体“大家族”，固体材料家族在性能、种类和用途等方面，均无情地碾压了液体和气体2大材料家族，因此“固体激光材料家族”通常就是稀土激光材料的“全权代表”。固体材料家族又划分为“三大门派”：晶体、玻璃、光纤激光材料，其中的稀土激光晶体材料又占主导地位，可谓是“权倾朝野”。

早在1960年，科学家们就发现了使用掺有稀土Sm2+的 CaF2，可以输出脉冲激光。1961年，“玻璃门派”下“稀土玻璃激光材料”问世，科学家们采用掺有稀土Nd的硅酸盐玻璃，获得了脉冲激光，就此拉开了稀土玻璃激光器的科学研究和实际应用的大幕。1962年，含稀土钕（CaWO4：Nd3+）的晶体获得了输出连续的激光，稀土晶体激光器问世。1963年，使用掺有稀土Eu的苯酰丙酮的醇溶液，获得了脉冲激光，首次研制成功稀土螯合物液体激光材料，标志着稀土激光材料“液体家族”诞生。1964年，科学家们在室温下研发出了掺有钕的钇 （Y）铝石榴石晶体（Y3Al5O12：Nd3+），获得了可输出的连续激光，这便是后来被广泛使用的稀土固体激光材料。1973年，首次研发出铕—氦稀土金属蒸气的激光振荡，稀土激光材料“气体家族”闪亮登场。仅仅14年的时间，稀土一族凭借令其他元素无法匹敌的先天优势，独特的电子组态、多能级和光谱特性，其固态、液态和气态材料都实现了受激发射。在激光工作物质中，稀土激光材料的“3大家族”号令天下。这些特性使激光在国民经济、现代科技和国防工业等领域占据重要地位，成为一项蓬勃发展的新技术，日益成为当代国际上引人注目的高新技术。

3  激光的“神奇”用途

激光极大地推动了生产力的迅猛发展，激光科学与技术催生了一门新的朝阳产业。进入20世纪，原子能、半导体、计算机及互联网等高科技推进神速，激光被赞誉为“最快的刀”“最准的尺”“最亮的光”，成为人类的又一重大发眀，书写了其用途的“神奇”篇章。

3.1  医学领域的“神奇”

①激光诊疗。激光在医学领域主要将其用于诊断和治疗，以及生命科学的研究。激光的临床治疗又分为手术治疗、非手术治疗以及光动力治疗。激光手术治疗，开刀痛苦轻、感染少。1961年，激光首次被用于外科手术，治疗视网膜肿瘤;1991年，激光首次用于治疗近视;2008年，首次使用光导纤维激光治疗脑瘤。医学激光系统据其临床作用而定，以牙科为例，激光对人体组织的作用，首先与其波长有关，如可见光及近红外光谱范围的光线，治疗牙体组织的部位较深，而穿透能力差的激光，可治疗的透牙体组织也较浅，仅仅为零点几毫米或更浅。其次，在诊断学中，激光的强度（功率）是非常重要的因素，实际应用仅为几毫瓦特的二极管激光，临床用于治疗的中强度激光也仅有几瓦特。最后，激光的发射方式也决定着治疗的效果，如短脉冲连续发射的激光，可以获得一千瓦特或更高强度、吸光性好的激光，用于清除硬组织。

②激光美容。能量高、聚焦精、穿透力强的激光照射人体组织产生高热量后，可去除或破坏目标组织。激光仪利用这一原理，采用各种不同波長的脉冲激光，治疗雀斑、老年斑等;用激光治疗鲜红斑痣，其周围组织损伤小、无疤痕、无色素沉着，是该疾病治疗史上的一次革命。激光还可治疗毛细血管扩张的各种血管性皮肤病，特定波长的激光被含氧血红蛋白选择吸收后，精确安全地使血管发病组织被高度破坏，不影响邻近组织，达到精准治疗。用激光治疗眼袋，不出血、无需缝合、水肿轻、恢复快，无瘢痕的诸多优点，令传统手术望尘莫及。此外，稀土Er激光则用于除皱、磨皮、换肤、美白牙齿及打鼾治疗。激光除皱术，高能量、极短脉冲激光使老化和受损的皮肤组织瞬间汽化，且不出血，精确控制皮肤表层的深度，不伤周围组织。同时新生的胶原质可以补充到流失的胶原，皮肤褶皱被填充，另外真皮组织层被加热，促进了人体组织的二次生长，真皮层的厚度增加。可以说，激光高科技开启了医学美容的新纪元。

3.2  军事领域的“神奇”

①激光武器。1983年，美国总统里根在“星球大战”计划演讲中，绘声绘色地描绘了太空战的激光武器。它有何威力呢？激光以30万km/s的速度飞行，变向灵活，瞄准即中，积聚高能量，无发射性污染。它又是如何击毁目标呢？第1大绝技“穿孔术”，高功率和高密度的激光束击中目标后，可将其表面材料瞬间熔化、汽化或蒸发，所产生的向外喷射的汽化物，能够形成极大的冲击波使其穿孔。第2大绝技“层裂术”，在高能量强激光作用下，击中目标的表面材料原子使其电离成等离体“云”向外膨胀而喷射，所产生的应力波将目标材料彻底拉断，并将其撕裂，这就是所谓的“层裂术”的威力。威力无比的等离体“云”，还有它的杀手锏紫外线或X光，则完全可以毁灭敌方目标结构和电子元件。

激光武器又有哪些类型呢？主要分为战术激光武器、战略激光武器2大类。在战术激光武器中，激光作为能量直接杀伤敌方人员、击毁目标。主要代表有激光枪和激光炮，能发出强激光束攻击敌方。激光枪的样式与普通步枪相似，由激光器、激励器、击发器和枪托构成，1978年美国制造出了第一支激光枪。战术激光武器的“挖眼术”，不但使飞机失控坠毁，炮手丧失战斗力，还可摧毁参战士兵心理防线，威慑力远超于常规武器。1982年，在马岛战争中，英国就在航空母舰和护卫舰安装了激光致盲武器，使阿根廷的战机或误入英军的射击火网或失控坠毁，可见其威力。

战略激光武器，主要是远距离攻击洲际导弹、侦察卫星、通信卫星等。1975年，美国的2颗侦察卫星，就被前苏联的激光武器击中，使其成为“瞎子”。20世纪70年代以来，美俄2国积极研发反卫星和反战略导弹的各类激光武器试验。可见，高基高能激光武器是世界军事大国宇宙空战的利器，居高临下实施闪击战，以摧毁敌方的各类卫星和洲际导弹等。如化学、准分子、自由电子、调射线等激光器，用于研制五花八门的反战略导弹激光武器。

②激光雷达，特指以激光器作为辐射源的雷达，是激光和雷达2种技术“联姻”的产生物。通常采用脉冲、连续波2种工作方式，其发射机就是各式激光器，如掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器、二氧化碳激光器等。光学望远镜是其天线，如半导体光电二极管、光电倍增管等，各式光电探测器是其接收机，还包括跟踪架及信息处理等部件。激光雷达的2种主要探测方法：直接探测和外差探测。

3.3  通信领域的“神奇”

激光通信（图6），指以激光为媒介在大气空间中传输信息的一种通信方式。发送的“信息”先转换成电信号，经“光调制器”将其调制于“激光器”（光源）的激光束中，“光学发射天线”（透镜）将其发射出去，在空间中运行至目的地。通过“光学发射天线”接获“光信号”，使其聚焦后送交“光检测器”，然后恢复为电信号，并还原为“信息”接收完成。激光通信的优点：信息容量大、保密性高，抗电磁干扰能力强。早期“激光器（光源）”多采用二氧化碳激光器、氦—氖激光器等，传输能力较为理想。此后，激光通信研究很长时间徘徊不前，1988年巴西研制成功便携式半导体激光通信系统。1989年，美国研制出1種短距离、隐蔽式激光通信系统，将其试用于战争，完全符合作战要求。进入20世纪90年代，俄罗斯研发的大功率半导体激光器，将激光通信系统推入实用化研究的快车道。半导体激光器、光学天线等制作技术的提升，信号压缩编码等技术日臻完善，激光大气通信的发展蓄势待发。

3.4  工业和加工领域的“神奇”

①激光玻璃，是以玻璃为基质的固体激光材料，主要用于高功率和高能量激光器。由基质玻璃和激活离子组成，前者决定其各种物理化学性质，后者决定光谱性质，当然彼此间也会“合作”。

②激光冷却，这一高新技术，主要是利用激光和原子的相互作用，使原子减速运动，从而获得超低温原子。主要应用于原子光学、原子钟、原子激光、高分辨率光谱，以及光和物质相互作用的基础研究领域。

③激光传感器，由激光器、激光检测器、新型测量仪表等组合而成，以激光技术进行测量的传感器。1969年，激光遥感器就被用于勘测地球与月球间的距离，并获得了较精确的数据。激光测速快、精度高的特点，尤其适合无接触的远距离测量。

④激光测云仪，该仪器主要通过激光照射大气层，使其能量衰减，依据其能量的衰减程度以及云层水分子的含量，来判断云层结构和距离。

⑤激光加工（图7）， 激光束用于材料的加工处理，如切割、焊接、打孔、微加工，以及识别物体的技术，如1974年研发的第1个超市条形码扫描器。激光还用于加工系统和工艺技术，涂敷和热处理，以及快速成型等。激光聚焦到1个小斑点上，其尺寸近似光的波长，该处的功率密度可达107～1011W/cm2，温度可达万度以上，亮度约等于100亿倍的太阳光。高能量激光聚焦照射加工材料，使其急剧熔化、瞬时气化，强烈的冲击波使熔化物爆炸式喷溅，使材料剥离或去除。计算机数控技术融入了激光加工系统，加工技术体系得以实现了高效化和自动化，使加工生产更加优质和高效。

4   我国的“激光神奇”

20世纪60年代初，中国的激光技术迎头赶上，以邓锡铭（图8）为代表的光学、激光科学家们积极开拓激光科技领域，先后主持研制成功第1台红宝石激光器、氦氖气体激光器，独立提出“激光器Q开关原理”“光流体模型”，发明了“列阵透镜”。推进了高功率激光驱动器及激光聚变的研究，建成了最大的激光装置——“神光”（图9），以此装置在惯性约束聚变、X光激光等高科技前沿领域，并取得了系列重大科研成果，为我国的激光事业作出了杰出贡献。

1964年，我国著名物理学家王淦昌院士（图10），提出了“激光核聚变”初步理论，此后该领域的研究处于世界领先地位。1974年，我国采用一路激光驱动聚氘乙烯靶产生核反应，观察到氘氘反应产生的中子[9]。此后，著名理论物理学家于敏院士 （图11）提出了一系列实现激光核聚变的新概念及新理念。1986年，聂荣臻元帅特意致信祝贺“神光”的成功研发，这是我国自主研发的激光核聚变实验装置。

此外，工业激光领域研发成果及其市场的开拓也硕果不断，尤其是大功率激光切割机。国内研发与生产力度的加大，缩小了与国外产品的质量和价格差距。2010年上海国际工业博览会上，来自世界各地20家生产商参展，带来了30台大功率数控激光切割机，我国的三维激光切割机、光纤激光切割机等新产品，成为展会的亮点。但是，我国的激光产业链还未形成，主要瓶颈是新型大功率激光器及其核心部件依赖于国外技术，如电容切割头和光学镜片的研发能力有待提高，想要与国外技术抗衡，还任重道远。

5  结语

随着信息化和智能化新时代的到来，信息在我们现代社会生活中的重要性前所未有。激光引发的人类“信息革命”，无论是光盘存储还是激光照排，不仅极大地提高了生产和工作效率，更便捷于信息的存储和提取，而且激光的时空控制性强，加工自由度高。我们要持续提升激光技术，推进其应用发展，牢牢抓住“激光革命”的机遇与挑战，为人类创造更多的“激光奇迹”。

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

参考文献

[1] 360国学.激光[EB/OL].（2021—06—11）.https：//guoxue.baike.so.com/query/view？type=phrase&title=%E6%BF%80%E5%85%89&src=onebox.

[2] 王長荣.激光与诺贝尔奖[J].三明高等专科学校学报，2001（3）：6—10，97.

[3] 刘光华.稀土材料学[M].北京：化学工业出版社，2007：235.

[4] 360百科.激光材料[EB/OL].（2021—06—15）.https：//baike.so.com/doc/5798778-6011573.html.

[5] 刘光华.稀土材料与应用技术[M].北京：化学工业出版社，2005：335.

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

[7] 刘光华.稀土材料与应用技术[M].北京：化学工业出版社，2005：335—336.

[8] 刘小珍.稀土精细化学品化学[M].北京：化学工业出版社，2009：127.

[9] 激光核聚变：没有辐射的核反应[EB/OL].（2021—06—15）.