你看過如血的紅寶石，也看過湛藍的藍寶石，還看過晶瑩的綠寶石，那麼有沒有看過鈦寶石呢？一起聽上海光機所為我們解讀鈦寶石背後的科學奧秘。寶石，華麗而不失優雅，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，還蘊藏著非同一般的內涵。

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

激光脈衝峰值功率達到拍瓦（1015W）、脈衝寬度達到數十飛秒（10-15s）級的超強超短激光，是目前人類已知的最亮光源，能夠創造出前所未有的綜合性極端物理條件，是國際科技競爭重大前沿領域之一。

鈦寶石激光晶體是產生拍瓦級高功率脈衝激光的核心關鍵材料之一，它在大國重器——上海超強超短激光實驗裝置（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，它無法在自然界開採，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，稱為“晶體生長”。

中科院上海光機所自主研製了國內首台熱交換法晶體生長設備，並利用該設備基於熱交換法的原理進行大尺寸鈦寶石晶體生長。

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熱交換桿通入製冷氣體——氦氣。流動的氦氣與坩堝中熔體形成熱量的交換，於是熔體從底部開始結晶。通過增加氦氣的流量，逐漸實現熔體從底部到頂部的完全結晶，最終形成鈦寶石晶體毛坯。毛坯經過切割、磨拋等加工工序便可獲得不同尺寸的鈦寶石晶體元件。

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

中科院上海光機所鈦寶石激光晶體研發團隊經過歷時四年的反複試驗，最終完善了晶體生長的工藝技術，實現關鍵參數的實時監測與調控，攻克了大尺寸晶體生長開裂等關鍵技術難題，掌握了大尺寸鈦寶石晶體生長的全部工藝技術，成功製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，並應用於國家大科學裝置—上海超強超短激光實驗裝置（SULF），在國際上率先實現峰值功率達10.3拍瓦的激光放大輸出。

此外，鈦寶石晶體還可在光波長連續調諧的激光器中發揮作用。璀璨奪目的它還能夠製作成為珠寶、首飾，為我們的生活增光添彩！