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    据说,中科院展出了一件无价之宝……

    发布时间: 2018/5/24 0:02:07    被阅览数:

    图7 宝石的“星光”

    文章来源:科学大院
      说起宝石,人们第一反应是“五彩斑斓”、“亮晶晶”。的确,天然的宝石有各种各样的颜色,比如红色、蓝色、绿色等,通常用来做珠宝、手饰、项链等装饰用品。
      可是,在昨天开幕的全国科技周科技创新成果展上,上海超强超短激光装置的模型旁,赫然摆着一块直径达195mm的紫红色的“宝石”。这是一块钛宝石,它跟旁边的“国之重器”有啥关系?
      从蓝宝石到钛宝石
      钛宝石是一种化学结构有序的晶体材料,是蓝宝石中掺入了一些钛元素所形成的。
      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。
      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。
      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。
      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。
      不仅仅是激光晶体
      除了上面的应用之外,“钛宝石”顾名思义,同时也是一种“宝石”,它具有宝石美丽、稀少、耐久的基本特点。
      我国现行的珠宝玉石首饰行业的国家标准中,将宝石分为天然宝石和人工宝石两大类。“钛宝石”作为人工宝石的一种——合成宝石,其主要化学组成对应为天然蓝宝石,矿物名称为刚玉。
      为什么钛宝石的颜色呈现红色调,却不是“红宝石”呢?这是因为在刚玉宝石中,只有中到深红色的可以称为红宝石。而钛宝石,也即“掺钛蓝宝石”,其颜色呈现带有明显紫色调的淡红色,且红色的深浅与掺钛量有关。由于钛宝石晶体中掺入的Ti元素,可以作为星化剂,从而使宝石形成漂亮的星光效应。
      从环境资源保护的角度来说,合成宝石不失为避免天然矿物资源过度开发的有效方式,未来有很大的应用前景。
      作者单位:中国科学院上海光学精密机械研究所


    来源:科学大院      编辑:秋痕

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