实验室里长出的这块宝石居然还能当“充电宝“

原创上海光机所科学大院

你看过如血的红宝石，也看过湛蓝的蓝宝石，还看过晶莹的绿宝石，那么有没有看过钛宝石呢？

今天，就跟着大院er一起听上海光机所为我们解读钛宝石背后的科学奥秘。

宝石，华丽而不失优雅，是衬托女性之美的绝佳装饰。但是，钛宝石，它不仅有着美丽的外表，还蕴藏着非同一般的内涵。

钛宝石戒指（图片来源：作者提供）

国之重器——“不可替代”的钛宝石晶体

激光脉冲峰值功率达到拍瓦（10¹⁵W）、脉冲宽度达到数十飞秒（10^-15s）级的超强超短激光，是目前人类已知的最亮光源，能够创造出前所未有的综合性极端物理条件，是国际科技竞争重大前沿领域之一。

（图片来源：作者提供）

钛宝石激光晶体是产生拍瓦级高功率脉冲激光的核心关键材料之一，它在大国重器——上海超强超短激光实验装置（SULF）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。

晶体生长——“千锤百炼”的钛宝石晶体

钛宝石与天然矿物宝石大有不同，它无法在自然界开采，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，称为“晶体生长”。

中科院上海光机所自主研制了国内首台热交换法晶体生长设备，并利用该设备基于热交换法的原理进行大尺寸钛宝石晶体生长。

（图片来源：作者提供）

在炉膛坩埚容器中放入晶种和原料，加热使原料熔化。通过坩埚外底部竖置的耐高温热交换杆通入制冷气体——氦气。流动的氦气与坩埚中熔体形成热量的交换，于是熔体从底部开始结晶。通过增加氦气的流量，逐渐实现熔体从底部到顶部的完全结晶，最终形成钛宝石晶体毛坯。毛坯经过切割、磨抛等加工工序便可获得不同尺寸的钛宝石晶体元件。

（图片来源：作者提供）

钛宝石晶体尺寸每增加一点，晶体生长的难度就会增加许多，如何避免晶体毛坯开裂是大尺寸钛宝石晶体生长的关键技术难题之一。

中科院上海光机所钛宝石激光晶体研发团队经过历时四年的反复试验，最终完善了晶体生长的工艺技术，实现关键参数的实时监测与调控，攻克了大尺寸晶体生长开裂等关键技术难题，掌握了大尺寸钛宝石晶体生长的全部工艺技术，成功制备出目前国际上最大的钛宝石激光晶体元件，直径235mm，高度72mm，并应用于国家大科学装置---上海超强超短激光实验装置（SULF），在国际上率先实现峰值功率达10.3拍瓦的激光放大输出。