文章來源：科學大院
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、項鍊等裝飾用品。
可是，在昨天開幕的全國科技周科技創新成果展上，上海超強超短雷射裝置的模型旁，赫然擺著一塊直徑達195mm的紫紅色的「寶石」。這是一塊鈦寶石，它跟旁邊的「國之重器」有什麼關係？
圖1 科技周上展出的鈦寶石（攝影：徐雁龍）
從藍寶石到鈦寶石
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。
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元素，導致其顏色顯藍色。在工業上或實驗室里，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」。
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境（如高溫環境等）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。
圖2 淡紅色的鈦寶石晶體
鈦寶石不是挖出來的，是長出來的！
自然界中沒有發現過鈦寶石，只能在實驗室中通過模擬天然寶石形成的環境進行人工製備——晶體生長。
可以用來實現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，再對熔體結晶從而形成鈦寶石。
目前國內外用來生長大尺寸（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（熱交換杆），在熱交換杆裡面通入流動的氦氣（熱交換氣）將熔體底部的熱量逐步帶走，使熔體溫度低於材料的熔點，實現熔體從底部逐漸往上緩慢結晶，最終形成鈦寶石晶體。
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。研究人員採用該設備，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235mm×72mm的優質鈦寶石晶體。
圖3 中科院上海光機所研製的熱交換法大尺寸鈦寶石晶體生長設備
圖4 235mm×72mm的優質鈦寶石晶體
是國之重器，也是美麗裝飾
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。
大尺寸鈦寶石晶體：雷射充電寶！
大尺寸鈦寶石晶體是大科學實驗裝置——上海超強超短雷射實驗裝置（SULF）的核心關鍵材料之一。它的主要用途是用來進行雷射能量的放大，實現拍瓦級高峰值功率的雷射輸出。雷射脈衝峰值功率達到拍瓦（即PW，1015W）、脈衝寬度達到數十飛秒級（即fs， 10-15s）的超強超短雷射，是人類已知的最亮光源。鈦寶石晶體在超強超短雷射裝置中扮演著「充電寶」的角色——將雷射能量逐步提高放大。鈦寶石晶體口徑越大，吸收的能量越多，雷射輸出的功率也就越高。
2017年10月中科院上海光機所研製的235mm×72mm鈦寶石晶體成功應用於上海超強超短雷射實驗裝置SULF，鈦寶石主放大器輸出的納秒級脈衝最高能量達到339 J，壓縮後雷射脈衝的最高峰值功率達到10.3拍瓦，這是目前已知的最高雷射脈衝峰值功率，處於世界領先水平。
圖5 應用於上海超強超短雷射實驗裝置上的鈦寶石晶體元件
基於大尺寸鈦寶石晶體實現拍瓦級高峰值功率的雷射，有望被用於研製雷射質子刀以治療癌症，製造台式化電子加速器和產生超快X射線源對蛋白質探測成像，研究天體物理和宇宙起源等。
圖6 基於鈦寶石晶體實現拍瓦雷射的未來應用
不僅僅是雷射晶體
除了上面的應用之外，「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。
我國現行的珠寶玉石首飾行業的國家標準中，將寶石分為天然寶石和人工寶石兩大類。「鈦寶石」作為人工寶石的一種——合成寶石，其主要化學組成對應為天然藍寶石，礦物名稱為剛玉。
為什麼鈦寶石的顏色呈現紅色調，卻不是「紅寶石」呢？這是因為在剛玉寶石中，只有中到深紅色的可以稱為紅寶石。而鈦寶石，也即「摻鈦藍寶石」，其顏色呈現帶有明顯紫色調的淡紅色，且紅色的深淺與摻鈦量有關。由於鈦寶石晶體中摻入的Ti元素，可以作為星化劑，從而使寶石形成漂亮的星光效應。
圖7 寶石的「星光」
從環境資源保護的角度來說，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。
作者單位：中國科學院上海光學精密機械研究所
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