中科院展出了一件“無價之寶”：鈦寶石
說起寶石，人們第一反應是“五彩斑斕”、“亮晶晶”。的確，天然的寶石有各種各樣的顏色，比如紅色、藍色、綠色等，通常用來做珠寶、手飾、項鏈等裝飾用品。可是，在昨天開幕的全國科技周科技創(chuàng)新成果展上，上海超強超短激光裝置的模型旁，赫然擺著一塊直徑達195mm的紫紅色的“寶石”。 'Omj-o'tn9
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這是一塊鈦寶石，它跟旁邊的“國之重器”有啥關系？ dPmNX-'7
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圖1.科技周上展出的鈦寶石（攝影：徐雁龍） gUrXaD#
從藍寶石到鈦寶石 x%%OgO +>
鈦寶石是一種化學結(jié)構(gòu)有序的晶體材料，是藍寶石中摻入了一些鈦元素所形成的。 `:kI@TPI_C
天然的藍寶石是藍色的、亮晶晶的，可以用來做裝飾，且價格不菲。天然藍寶石的化學成分主要是Al2O3，在其自然形成過程中，存在一些微量的雜質(zhì)元素，導致其顏色顯藍色。在工業(yè)上或?qū)嶒炇依�，人們希望獲得純度非常高的Al2O3晶體，自然的，這樣的晶體就不會顯示藍色了，而是無色透明的。為了順延稱謂，人們將這種高純度、無色透明的Al2O3晶體也稱為“藍寶石”。 wqA7_
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本文中的主角——鈦寶石晶體，就是在這種無色透明的藍寶石中，通過模擬自然形成環(huán)境（如高溫環(huán)境等）人為地摻雜一些鈦（化學元素：Ti）離子，稱之為人工晶體生長。這種人工寶石晶體顯示出淡紅色。 d[y(u<Vl
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圖2 淡紅色的鈦寶石晶體 nE= ,=K~
鈦寶石不是挖出來的，是長出來的！ Iz9b5
自然界中沒有發(fā)現(xiàn)過鈦寶石，只能在實驗室中通過模擬天然寶石形成的環(huán)境進行人工制備——晶體生長。 d7qYz7=d
可以用來實現(xiàn)鈦寶石晶體生長的方法包括熱交換法、提拉法、溫度梯度法和泡生法等，都是將原料在高溫條件下（約2050 oC）熔化為熔體，再對熔體結(jié)晶從而形成鈦寶石。 c63yJqi W
目前國內(nèi)外用來生長大尺寸（直徑>150mm）鈦寶石晶體的方法是熱交換法。它的基本原理是：加熱使坩堝中的原料熔化成為熔體，在坩堝底部豎置一個耐高溫的金屬管（熱交換桿），在熱交換桿里面通入流動的氦氣（熱交換氣）將熔體底部的熱量逐步帶走，使熔體溫度低于材料的熔點，實現(xiàn)熔體從底部逐漸往上緩慢結(jié)晶，最終形成鈦寶石晶體。 R_B`dP<"~Y
中科院上海光機所于2015年自主研發(fā)成功國內(nèi)首臺熱交換法生長大尺寸鈦寶石晶體設備。研究人員采用該設備，通過十多次晶體生長實驗，優(yōu)化晶體生長工藝參數(shù)，突破大尺寸鈦寶石晶體生長關鍵技術(shù)，于2017年研制成功全球最大尺寸Ø235mm×72mm的優(yōu)質(zhì)鈦寶石晶體。 T*qSk!
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圖3 中科院上海光機所研制的熱交換法大尺寸鈦寶石晶體生長設備 =v7%IRP5
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圖4 Ø235mm×72mm的優(yōu)質(zhì)鈦寶石晶體 4(TR'_X (
是國之重器，也是美麗裝飾 8'o6:
如果費盡心機得到了鈦寶石，你認為它僅僅是裝飾用品，那就太小瞧它的“能量”了。 qORRpWyx&
大尺寸鈦寶石晶體：激光充電寶！ X*e<g=
大尺寸鈦寶石晶體是大科學實驗裝置——上海超強超短激光實驗裝置（SULF）的核心關鍵材料之一。它的主要用途是用來進行激光能量的放大，實現(xiàn)拍瓦級高峰值功率的激光輸出。激光脈沖峰值功率達到拍瓦（即PW，1015W）、脈沖寬度達到數(shù)十飛秒級（即fs， 10-15s）的超強超短激光，是人類已知的最亮光源。鈦寶石晶體在超強超短激光裝置中扮演著“充電寶”的角色——將激光能量逐步提高放大。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。 q1,jDJglZ
2017年10月中科院上海光機所研制的Ø235mm×72mm鈦寶石晶體成功應用于上海超強超短激光實驗裝置SULF，鈦寶石主放大器輸出的納秒級脈沖最高能量達到339 J，壓縮后激光脈沖的最高峰值功率達到10.3拍瓦，這是目前已知的最高激光脈沖峰值功率，處于世界領先水平。 D0Lo T?$N
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圖5 應用于上海超強超短激光實驗裝置上的鈦寶石晶體元件
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