中科院展出了一件“无价之宝” - 钛宝石

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”。

文章来源：科学大院

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。

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 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。

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