你看過如血的紅寶石，也看過湛藍(lán)的藍(lán)寶石，還看過晶瑩的綠寶石，那么有沒有看過鈦寶石呢？

今天，就跟著大院er一起聽上海光機(jī)所為我們解讀鈦寶石背后的科學(xué)奧秘。

寶石，華麗而不失優(yōu)雅，是襯托女性之美的絕佳裝飾。但是，鈦寶石，它不僅有著美麗的外表，還蘊(yùn)藏著非同一般的內(nèi)涵。

鈦寶石戒指（圖片來源：作者提供）

國之重器——“不可替代”的鈦寶石晶體

激光脈沖峰值功率達(dá)到拍瓦（10¹⁵ W）、脈沖寬度達(dá)到數(shù)十飛秒（10^-15 s）級(jí)的超強(qiáng)超短激光，是目前人類已知的最亮光源，能夠創(chuàng)造出前所未有的綜合性極端物理?xiàng)l件，是國際科技競(jìng)爭(zhēng)重大前沿領(lǐng)域之一。

（圖片來源：作者提供）

鈦寶石激光晶體是產(chǎn)生拍瓦級(jí)高功率脈沖激光的核心關(guān)鍵材料之一，它在大國重器——上海超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置（SULF）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。

晶體生長——“千錘百煉”的鈦寶石晶體

鈦寶石與天然礦物寶石大有不同，它無法在自然界開采，只能在實(shí)驗(yàn)室中通過模擬天然寶石形成的環(huán)境進(jìn)行人工制備，稱為“晶體生長”。

中科院上海光機(jī)所自主研制了國內(nèi)首臺(tái)熱交換法晶體生長設(shè)備，并利用該設(shè)備基于熱交換法的原理進(jìn)行大尺寸鈦寶石晶體生長。

（圖片來源：作者提供）

在爐膛坩堝容器中放入晶種和原料，加熱使原料熔化。通過坩堝外底部豎置的耐高溫?zé)峤粨Q桿通入制冷氣體——氦氣。流動(dòng)的氦氣與坩堝中熔體形成熱量的交換，于是熔體從底部開始結(jié)晶。通過增加氦氣的流量，逐漸實(shí)現(xiàn)熔體從底部到頂部的完全結(jié)晶，最終形成鈦寶石晶體毛坯。毛坯經(jīng)過切割、磨拋等加工工序便可獲得不同尺寸的鈦寶石晶體元件。

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鈦寶石晶體尺寸每增加一點(diǎn)，晶體生長的難度就會(huì)增加許多，如何避免晶體毛坯開裂是大尺寸鈦寶石晶體生長的關(guān)鍵技術(shù)難題之一。

中科院上海光機(jī)所鈦寶石激光晶體研發(fā)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過歷時(shí)四年的反復(fù)試驗(yàn)，最終完善了晶體生長的工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與調(diào)控，攻克了大尺寸晶體生長開裂等關(guān)鍵技術(shù)難題，掌握了大尺寸鈦寶石晶體生長的全部工藝技術(shù)，成功制備出目前國際上最大的鈦寶石激光晶體元件，直徑235mm，高度72mm，并應(yīng)用于國家大科學(xué)裝置---上海超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置（SULF），在國際上率先實(shí)現(xiàn)峰值功率達(dá)10.3拍瓦的激光放大輸出。

（圖片來源：作者提供）

此外，鈦寶石晶體還可在光波長連續(xù)調(diào)諧的激光器中發(fā)揮作用。璀璨奪目的它還能夠制作成為珠寶、首飾，為我們的生活增光添彩！