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发布时间:2018年7月7日5时59分3秒

据说,中科院展出了一件无价之宝……|蓝宝石|宝石|晶体_新浪科技_新浪网新浪首页新闻体育财经娱乐科技博客图片专栏更多汽车教育时尚女性星座健康房产历史视频收藏育儿读书佛学游戏旅游邮箱导航移动客户端新浪微博新浪新闻新浪体育新浪娱乐新浪财经新浪众测新浪博客新浪视频新浪游戏天气通我的收藏注册登录新浪科技科学探索科技前沿正文新闻图片博客视频据说,中科院展出了一件无价之宝……据说,中科院展出了一件无价之宝……2018年05月20日11:02新浪科技缩小字体放大字体收藏微博微信分享腾讯QQQQ空间  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?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3d迷语总汇图顺延称谓,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。

图2淡红色的钛宝石晶体  钛宝石不是挖出来的,是长出来的!  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2050oC)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?235mm×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图4?235mm×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?235mm×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339J,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  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。

图6基于钛宝石晶体实现拍瓦激光的未来应用  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。

图7宝石的“星光”  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。