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激光晶體

激光晶體:北大博士呼籲立即禁止出口稀土

星之球科技 來源:南方周末2013-10-15 我要評論(0 )   

為(wei) 什麽(me) 愛國者導彈能比較輕易地擊落飛毛腿?為(wei) 什麽(me) 盡管美製M1和蘇製T-72坦克的主炮直射距離差距並不大,但前者卻總是能更早開火,而且打得更準?為(wei) 什麽(me) F-22戰鬥機可以超...

        為(wei) 什麽(me) “愛國者”導彈能比較輕易地擊落“飛毛腿”?為(wei) 什麽(me) 盡管美製M1和蘇製T-72坦克的主炮直射距離差距並不大,但前者卻總是能更早開火,而且打得更準?為(wei) 什麽(me) F-22戰鬥機可以超音速巡航?……

 

  這些“為(wei) 什麽(me) ”勾勒出當今軍(jun) 事科技的巨大進步,也同時勾勒出了近20年世界的動蕩與(yu) 衝(chong) 突。針對每一個(ge) “為(wei) 什麽(me) ”,都有其具體(ti) 而明確的答案。不過,從(cong) 材料科學的角度,“稀土”能夠一次性解決(jue) 上述所有問題。

 

  稀土的開發應用近幾十年來為(wei) 軍(jun) 事科技提供了推力強勁的引擎。海灣戰爭(zheng) 中那些匪夷所思的軍(jun) 事奇跡,美軍(jun) 在冷戰後局部戰爭(zheng) 中所表現出的對戰爭(zheng) 進程的非對稱性控製能力,從(cong) 一定意義(yi) 上說,正是稀土成就了這一切。

 

  正因如此,稀土的開發利用也孕育了巨大的危險。一方麵,越來越多的國家、軍(jun) 事勢力為(wei) 了獲得對對手的非對稱性控製能力,而參與(yu) 稀土爭(zheng) 奪與(yu) 研發,孕育了軍(jun) 備競賽的風險;另一方麵,獲得這種能力的國家更傾(qing) 向於(yu) 以威脅或戰爭(zheng) 解決(jue) 爭(zheng) 端。對此,中國作為(wei) 稀土儲(chu) 量世界第一的大國,有必要從(cong) 源頭上為(wei) 這種軍(jun) 備競賽降溫,嚴(yan) 格限製稀土開采,立刻禁止稀土出口。

 

  事實上,中國政府對稀土開發不可謂不重視。早在上世紀50年代,周恩來總理就把稀土開發列入中國第一個(ge) 科技發展規劃。1975年,中國便成立了稀土領導小組,即便國務院機構幾多調整,但專(zhuan) 門的稀土行業(ye) 管理機構卻一直得以保留。1991年,稀土被列入國家保護礦種。從(cong) 稀土保護的政策麵來看,專(zhuan) 門的機構,穩定的行業(ye) 政策,國家一以貫之的總體(ti) 控製,即便中國石油也沒有這樣的待遇。但是,稀土產(chan) 業(ye) 幾十年發展的成果,基本上還停留在低水平賣資源的水平。

 

  對於(yu) 稀土生產(chan) 的現狀,國土資源部從(cong) 1999年以來進行過無數次的清理工作,針對的問題包括濫挖濫采、產(chan) 能過剩、秩序混亂(luan) ,采取的措施包括總量控製、炸毀非法礦井、沒收生產(chan) 設備、司法介入、許可證、與(yu) 基層政府簽訂責任狀、與(yu) 礦山簽訂合同書(shu) ……2005年,商務部開始用稅收控製稀土出口。這些措施力度之強,持續時間之長,幾乎達到了管理部門的權力極限。

 

  然而亂(luan) 象依舊。有人曾總結中國稀土有七大難解之謎:1.以產(chan) 業(ye) 政策為(wei) 導向的宏觀調控始終難以奏效;2.調整產(chan) 業(ye) 結構和控製生產(chan) 總量的政策一敗再敗;3.可持續發展開采無法實行;4.以統一規劃為(wei) 方針的加強管理措施難以實施;5.通過技術創新促進產(chan) 業(ye) 升級的願望永遠隻是願望;6.依靠聯合重組實現行業(ye) 自律的對策無從(cong) 下手;7.強化推廣應用從(cong) 而提高產(chan) 品附加值的目標至今達不到。

 

  就在這樣的亂(luan) 象之中,中國稀土可開采儲(chu) 量從(cong) 十多年前的占世界80%,降到了如今的52%。若繼續現有的生產(chan) 經營模式,也許20到50年後,中國就將變成稀土小國。如果有一天,中國認識到稀土的價(jia) 值,而希望從(cong) 世界購買(mai) ,那麽(me) 等待中國的就將是天價(jia) 。

 

  稀土在激光晶體(ti) 中的應用

  激光晶體(ti) 是由晶體(ti) 基質和激活離子組成。激光晶體(ti) 的激光性能與(yu) 晶體(ti) 基質、激活離子的特性關(guan) 係極大。目前已知的激光晶體(ti) ,大致可以分為(wei) 氟化物晶體(ti) 、含氧酸鹽晶體(ti) 和氧化物晶體(ti) 三大類。激活離子可分為(wei) 過渡金屬離子、稀土離子及錒係離子。目前已知的約320種激光晶體(ti) 中,約290種是摻入稀土作為(wei) 激活離子的。可見稀土在發展激光晶體(ti) 材料中的重要作用。在稀土元素中已實現激光輸出的有Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb共11個(ge) 三價(jia) 離子和Sm、Dy、Tm三個(ge) 二價(jia) 離子。稀土的激光性能是由於(yu) 稀土離子的4f電子在不同能級之間的躍遷而產(chan) 生的。由於(yu) 很多稀土離子具有豐(feng) 富的能級和他們(men) 的4f電子的躍遷,使稀土成為(wei) 激光晶體(ti) 不可缺少的激活離子,為(wei) 高新科技提供了很多性能優(you) 越的高功率、LD泵浦、可調諧、新波長等摻稀土激光晶體(ti) 。高功率摻稀土激光晶體(ti) 主要有摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)、摻釹鋁酸釔(Nd:YAP)、摻鋁釓稼石榴石(Nd:GGG)和摻釹鋁酸鎂鑭(Nd:LMA)等。其中,Nd:YAG最重要,應用最廣,用量最大。國外早已投入生產(chan) ,在美國Nd:YAG晶體(ti) 已經商品化,新產(chan) 品質量穩定,占領國際大部分市場。可調諧激光晶體(ti) 同樣很引人注目。利用Ce離子的寬帶躍遷,從(cong) Ce:YLF和Ce:LaF3等晶體(ti) 中獲得可調諧的紫外激光。目前最為(wei) 有效的和可連續調諧的紫外激光晶體(ti) 是Ce:LiCAF、Ce:LiSAF。

 

  用於(yu) LD泵浦激光器的晶體(ti) 主要有Nd:YVO4、Nd:YAG、Nd:YLF等,其它合適的泵浦的晶體(ti) 還有Yb:YAG等。我國的YVO4、Nd:YVO4晶體(ti) 均已享譽國際市場,據估計其產(chan) 品目前占國際市場的l/3。

 

  在稀土激活離子中常用的是Nd離子,它輸出波長為(wei) 1.06μm。多年來人們(men) 一直在進行新波長激光晶體(ti) 的探索工作。其中比較成功並獲得實際應用的有摻Er和Ho的激光晶體(ti) 。這些晶體(ti) 輸出的波長對人眼安全,大氣傳(chuan) 輸特性好,對戰場的煙霧穿透能力強,保密性好,適合軍(jun) 用。而且其波長容易被水吸收,更適合於(yu) 激光醫療,在表麵脫水和生物工程等方麵,也將獲得應用。目前我國對Ho:Cr:Tm:YAG、Er:YAG和Ho:Er:Tm:YLF已有小批量試製能力,但末形成批量產(chan) 品。

 

  稀土的發展前景

  1.稀土在晶體(ti) 中的應用前景

  Nd:YAG晶體(ti) 具有光學均勻性好,機械強度高,物化性能穩定,導熱係數高,激光性能良好及生長工藝成熟等優(you) 點。正是由於(yu) Nd:YAG晶體(ti) 具有這些優(you) 良的性能,並可在室溫下可實現脈衝(chong) 和連續等多種方式的運轉,所以它在軍(jun) 事、工業(ye) 和醫療等方麵獲得了廣泛的應用,是目前固體(ti) 激光材料中用量最大的激光晶體(ti) 。在軍(jun) 事方麵,Nd:YAG晶體(ti) 是應用最廣泛的固體(ti) 激光器的工作物質,是軍(jun) 用固體(ti) 激光技術的支柱。目前90%以上的軍(jun) 用固體(ti) 激光器是以Nd:YAG激光晶體(ti) 為(wei) 工作物質的。

 

  在工業(ye) 領域,Nd:YAG晶體(ti) 由於(yu) 能獲得高功率激光輸出而廣泛應用於(yu) 材料加工。全世界用於(yu) 材料加工的激光器銷售額持續增長,其中高功率激光器的銷售保持強勁勢頭,其主要原因是全世界汽車製造商繼續推出新型號,零部件更多采用激光加工,而且激光加工逐漸從(cong) 使用C02激光器轉向采用Nd:YAG激光器。根據Laser Focus World的統計,1997年全世界用於(yu) 材料加工的Nd:YAG激光器,銷售額為(wei) 1.17億(yi) 美元,1998年用於(yu) 材料加工的Nd:YAG激光器,銷售額2.89億(yi) 美元,1999年用於(yu) 材料加工的Nd:YAG激光器,銷售額預計增長8%,達3.12億(yi) 美元。 醫學和醫療領域,也一直是Nd:YAG激光器的重要應用之一,在所有激光醫療設備中,Nd:YAG激光醫療設備都得到廣泛的應用。這不僅(jin) 因其重複頻率和平均功率較高。更主要是其1.06μm波長可用石英光纖導光,因此能夠被柔軟的傳(chuan) 輸線傳(chuan) 輸功率。根據LaserFocus World的統計,全世界固體(ti) 激光器在醫療方麵的應用,1997年銷售額為(wei) 1.59億(yi) 美元,1998年銷售額為(wei) 2.7億(yi) 美元,1999年銷售額預計達3.1億(yi) 美元。

 

  2、稀土在泵浦激光晶體(ti) 中的應用前景

  八十年代半導體(ti) 激光器(LD)取得了重大進展,成為(wei) 固體(ti) 激光器的一種新型泵浦源。可用二極管泵浦的激光晶體(ti) 多種多樣,除了傳(chuan) 統的激光基質YAG、YLF外,還有高增益YV04等,激活離子除傳(chuan) 統Nd離於(yu) 外,還有Yb、Ho、Tm、Er離子等。Yb:YAG具有許多特點適合高功率LD泵浦,有可能發展成為(wei) 重要的大功率LD泵浦用激光材料。Yb:S―FAP晶體(ti) 將來有可能用於(yu) 激光核聚變的激光材料,引起人們(men) 的關(guan) 注。Tm:YAG、Ho,Tm:YLF、Ho:YLF激光晶體(ti) 的發射波長適合在軍(jun) 事上應用。#p#分頁標題#e#

 

  3、稀土在可調諧激光晶體(ti) 中的發展前景

  摻稀土的可調諧激光晶體(ti) 中除上述的晶體(ti) 以外,還有Cr,Yb,Ho:YSGG激光晶體(ti) 等。Cr,Yb,Ho:YAGG激光晶體(ti) 的波長在2.84―3.05μm之間連續可調。據統計世界上用的導彈紅外尋彈頭大部分是采用3―5μm的中波紅外探測器,因此研製Cr,Yb,Ho:YSGG激光晶體(ti) ,可對於(yu) 中紅外製導武器對抗提供有效的幹擾源,具有深遠的軍(jun) 事意義(yi) 。另外,3―5μm的紅外光可以用來遠距離探測化學物質,因此可用於(yu) 反化學戰和環境保護。

 

  4、稀土在新波長激光晶體(ti) 中的應用前景

  鞏固發展已有的產(chan) 品,如Ho:Cr:Tm:YAG、Ho:Er:Tm:YLF、Er:YAG等,進一步提高晶體(ti) 質量,實現大批量生產(chan) 。同時要繼續加強開拓應用價(jia) 值大的激光新波段。

 

  稀土令武器更冷血

  稀土是關(guan) 係到世界和平與(yu) 國家安全的戰略性金屬。為(wei) 什麽(me) “愛國者”導彈能比較輕易擊毀“飛毛腿”導彈?這得益於(yu) 前者精確製導係統的出色工作。其製導係統中使用了大約4公斤的釤鈷磁體(ti) 和釹鐵硼磁體(ti) 用於(yu) 電子束聚焦,釤、釹是稀土元素。

 

  為(wei) 什麽(me) M1坦克能做到先敵發現?因為(wei) 該坦克所裝備摻釹釔鋁石榴石激光測距機,在晴朗的白天可以達到近4000米的觀瞄距離,而T-72的激光測距機能看到2000米就算不錯。而在夜間,加入稀土元素鑭的夜視儀(yi) 又成為(wei) 伊拉克軍(jun) 隊的夢魘。

 

  至於(yu) F-22超音速巡航的功能,則拜其強大的發動機以及輕而堅固的機身所賜,它們(men) 都大量使用稀土科技造就的特種材料。比如F119發動機葉片以及燃燒室使用了阻燃鈦合金,這種鈦合金的製造據說是使用了錸;而F-22的機身就更加是用稀土強化的鎂鈦合金武裝。否則,超音速巡航中,F119強大的動力足以摧毀它自己。上述種種還隻是窺豹一斑。事實上,凡稱得上高技術的兵器幾乎無一沒有稀土的身影;更致命的是,稀土往往集中在使這些武器化腐朽為(wei) 神奇的最關(guan) 鍵部位。比如“愛國者”除了製導係統,彈體(ti) 控製翼麵等關(guan) 鍵部位也是用稀土合金;一些先進坦克的裝甲用稀土材料後,防彈性能更好;還有美國那些掌控戰場形勢的“千裏眼”、“順風耳”中用稀土科技造就的大功率行波管,這使得其工作更可靠,抗幹擾性更強……

 

  簡單說,相比傳(chuan) 統兵器,高技術兵器的優(you) 點在於(yu) 其更方便、更靈敏、更準確、更容易操縱。這些提起來容易,但卻集中體(ti) 現了當今材料科學、電子科學以及工程製造的諸多最高成就。而這些成就的獲得,往往是源於(yu) 稀土的某些特殊功能的發現和應用。

 

  稀土有工業(ye) “維生素”之稱,由於(yu) 其具有優(you) 良的光電磁等物理特性,能與(yu) 其他材料組成性能各異、品種繁多的新型材料,其最顯著的功能就是大幅度提高其他產(chan) 品的質量和性能。比如大幅度提高用於(yu) 製造坦克、飛機、導彈的鋼材、鋁合金、鎂合金、鈦合金的戰術性能。而且,稀土同樣是電子、激光、核工業(ye) 、超導等諸多高科技的潤滑劑。稀土科技一旦用於(yu) 軍(jun) 事,必然帶來軍(jun) 事科技的躍升。從(cong) 一定意義(yi) 上說,美軍(jun) 在冷戰後幾次局部戰爭(zheng) 中壓倒性控製,以及能夠對敵人肆無忌憚地公開殺戮,正緣於(yu) 稀土科技領域的超人一等。

 

  為(wei) 他人做嫁衣的中國稀土

  “中東(dong) 有石油,中國有稀土。”這是鄧小平1992年南巡時說的一句名言。然而,在發達國家先後將稀土視為(wei) 戰略資源,並有所行動的時候,稀土在中國更多隻被看作是換取外匯的普通商品。

 

  中國稀土占據著幾個(ge) 世界第一:儲(chu) 量占世界總儲(chu) 量的第一,尤其是在軍(jun) 事領域擁有重要意義(yi) 且相對短缺的中重稀土;生產(chan) 規模第一,2005年中國稀土產(chan) 量占全世界的96%;出口量世界第一,中國產(chan) 量的60%用於(yu) 出口,出口量占國際貿易的63%以上,而且中國是世界上惟一大量供應不同等級、不同品種稀土產(chan) 品的國家。可以說,中國是在敞開了門不計成本地向世界供應。據國家發改委的報告,中國的稀土冶煉分離年生產(chan) 能力20萬(wan) 噸,超過世界年需求量的一倍。而中國的大方,造就了一些國家的貪婪。

 

  以製造業(ye) 和電子工業(ye) 起家的日本、韓國自身資源短缺,對稀土的依賴不言而喻。中國出口量的近70%都去了這兩(liang) 個(ge) 國家。至於(yu) 稀土儲(chu) 量世界第二的美國,早早便封存了國內(nei) 最大的稀土礦芒廷帕斯礦,鉬的生產(chan) 也已停止,轉而每年從(cong) 我國大量進口。西歐國家儲(chu) 量本就不多,就更加珍愛本國稀土資源,也是我國稀土重要用戶。

 

  發達國家的貪婪表現在,除了生產(chan) 所需,它們(men) 不但通過政府撥款超額購進,存儲(chu) 在各自國家的倉(cang) 庫中——這種做法,日美韓等國行之有年;除了購買(mai) ,還通過投資等方式規避中國法律,參與(yu) 稀土開發,行公開掠奪之實。遺憾的是,至今未見中國政府有效的控製舉(ju) 措。許多專(zhuan) 家呼籲的戰略儲(chu) 備製度,至今不見動靜。而且,由於(yu) 並未真正認識到稀土戰略價(jia) 值,導致中國的稀土開發變成了不折不扣的資源浪費——生產(chan) 無序、競爭(zheng) 無度,中國在擁有對稀土資源壟斷性控製的同時,卻完全不具有定價(jia) 權,稀土價(jia) 格長期低位徘徊,有時甚至賤過豬肉。

 

  一擁而上的盲目開發以及宏觀規劃水平低劣,導致中國並未成為(wei) 稀土開發大國,中國稀土科技遠遠落後於(yu) 發達國家。鑒於(yu) 稀土在提升軍(jun) 事科技方麵的顯著作用,如果任這種趨勢發展,中國出口的稀土有朝一日將構成對中國國家安全以及世界和平嚴(yan) 重的威脅,中國將為(wei) 其短視以及不負責任的生產(chan) 開發付出代價(jia) 。

 

  目前,中國稀土的主要購買(mai) 國日本、韓國、美國,前二者與(yu) 中國存在領土糾紛,後者則在台灣問題上構成對中國最大的現實威脅,而且是近些年世界局部戰爭(zheng) 主要參與(yu) 者。事實上有些對抗已經在中國東(dong) 海、黃海上演。但是,在這些對抗發生時,很少有人想到那些真正能威脅中國的戰機、艦艇與(yu) 導彈,監視中國的雷達上的關(guan) 鍵部件可能就是中國不計後果出口的稀土造就的。美日韓都是稀土科技大國。以日本為(wei) 例,日本在有關(guan) 稀土應用的材料科學、雷達、微電子產(chan) 業(ye) 上甚至擁有比美國更強的技術製造能力。美軍(jun) 現役武器中,潛艇用高強度鋼,導彈微電子芯片的80%由日本製造,戰機引擎的特種陶瓷也是日本研發……日本科學家曾誇口說,如果不用日本芯片,美國巡航導彈的精度就不是10米,而是50米。不過,我們(men) 可以想象,這些微電子芯片、高強度鋼如果缺少了稀土,可能根本就無法被製造出來。

 

  必須禁止稀土出口

  既然過去幾十年中,政府領導不可謂不關(guan) 注,主管部門不可謂不盡心,專(zhuan) 家學者們(men) 也提出了大量的建議,但中國的稀土開發依然還停留在低水平,那麽(me) 從(cong) 長遠計,最有效而且最容易實行的方式,莫過於(yu) 立刻禁止稀土出口,隻維持國內(nei) 生產(chan) 以及研發所需的產(chan) 出規模,或者幹脆從(cong) 國際市場購買(mai) 。

 

  此好處有三:第一,能最大限度地保護不可再生的稀土資源,從(cong) 根子上杜絕地方對稀土的無序開發以及偷盜行為(wei) ,因為(wei) 這些年,稀土的大量流失,正是因為(wei) 一些政府和個(ge) 人被國際市場的蠅頭小利所惑;第二,解決(jue) 產(chan) 業(ye) 整合,淘汰生產(chan) 效率不高、資源開發浪費嚴(yan) 重的小企業(ye) ,淘汰過剩的生產(chan) 能力;第三,為(wei) 中國稀土科技爭(zheng) 取技術開發、升級的時間,但是必須認識到,要在短期內(nei) 追上國際水平,僅(jin) 靠消極的保護是遠遠不夠的。 日本國際未來科學研究所的代表浜田和幸曾說:“中國擁有世界稀土資源的88%(原文如此,應為(wei) 可開采量),鋇、銻和銦的儲(chu) 量也非常豐(feng) 富,掐住了日美的咽喉,日本和美國沒有這些稀有金屬,就無法製造精密的製導武器。”中國或許不該去掐別人的咽喉,但必須未雨綢繆,不要讓別人在未來掐住自己的咽喉。民進中央聯絡委員會(hui) 委員、中科聯碳科技有限公司董事長晏雙利曾不無憂心地指出,“我國的稀有金屬儲(chu) 量也不多了。”#p#分頁標題#e#

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