稀有鈦寶石讓「國之重器」生輝

科技日報記者 王春

日前，在全國科技周科技創新成果展上，上海超強超短激光實驗裝置的模型旁，赫然擺著一塊直徑達195mm的紫紅色「寶石」。這是一塊鈦寶石，晶瑩剔透，引發了觀眾的好奇，它跟旁邊的「國之重器」有啥關係？

中科院上海光機所鈦寶石課題負責人杭寅研究員對科技日報記者介紹說，這塊大尺寸鈦寶石，人們眼裡的美麗裝飾用品，卻具備大「能量」。它是大科學實驗裝置——上海超強超短激光實驗裝置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，實現拍瓦級高峰值功率的激光輸出。

激光脈衝峰值功率達到拍瓦、脈衝寬度達到數十飛秒級的超強超短激光，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猶如「人的心臟」，少了它，超強超短激光就沒辦法產生。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。

自然界中沒有發現過鈦寶石，鈦寶石不是挖出來的，而是在實驗室進行人工製備晶體長出來的！據介紹，鈦寶石是一種化學結構有序的晶體材料，是藍寶石中摻入了一些鈦元素所形成的。高純度、透明的藍寶石，也就是平常我們說的「白寶石」，它的化學成分主要是氧化鋁。鈦寶石晶體，就是在氧化鋁中，人為地摻雜一些鈦離子，通過二千多度的高溫環境慢慢生長出來的，稱之為人工晶體生長。這種人工寶石晶體顯示出淡紅色。

中科院上海光機所於2015年自主研發成功國內首台熱交換法生長大尺寸鈦寶石晶體設備。有了該國產化設備，研究人員才得以通過十多次晶體生長實驗，優化晶體生長工藝參數，突破大尺寸鈦寶石晶體生長關鍵技術，於2017年研製成功全球最大尺寸、直徑達235毫米的優質鈦寶石晶體。而在此之前，研究人員只能從國外購買大尺寸鈦寶石晶體，尺寸僅200毫米，還需要等待長達兩年的交貨期。

杭寅說，目前10拍瓦激光主放大器採用的大尺寸鈦寶石晶體，由中科院上海光機所自主研製，在晶體尺寸、光學均勻性、激光輸出功率等指標均處於國際領先水平。

鈦寶石熔點高達2050攝氏度，硬度僅次於金剛石，鋁和鈦離子的半徑相差30%，大尺寸晶體生長和加工的難度非常高。大尺寸鈦寶石晶體的熱應力和結構應力都很大，容易產生氣泡，晶體易開裂，需要近兩個月才能長出來。

基於大尺寸鈦寶石晶體實現拍瓦級高峰值功率的超強超短激光，應用非常廣泛。有望被用於開展高能物理、核物理等能產生極端條件的科學研究，用於光譜測量、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，同時也是一種「寶石」，它具有寶石美麗、稀少、耐久的基本特點。目前，合成寶石不失為避免天然礦物資源過度開發的有效方式，未來有很大的應用前景。

來源：科技日報

編輯：陳小柒

審核：管晶晶

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