中国科学家造出高熵晶体，中红外激光性能获大幅提升

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在深空探测和星际通信的征途上，激光器就是飞船的“眼睛”和“嗓音”。

特别是波长在2.8微米附近的中红外激光，它处于大气的“透明窗口”，也是许多分子的“指纹区”。

想要在这个波段获得高性能的激光输出，一直是个棘手的难题。

传统材料的发射带宽窄、效率低，还怕太空辐射。

就在2026年2月5日，中国科学院合肥物质科学研究院传来捷报。

张惠丽团队利用一种全新的“高熵”设计思路，成功生长出新型激光晶体。

这种晶体不仅让2.8微米波段的激光性能大幅提升，更让中国在激光材料这一前沿领域再次占据了高地。

要理解这项成果，先得搞懂什么是“高熵”。

在传统材料学里，我们追求纯净。

一种晶体通常由一种或几种主要元素整齐排列。

但在高熵材料中，五种甚至更多的元素按等比例或近等比例混合。

这听起来像是一锅“大杂烩”，但在微观层面却产生了奇妙的“鸡尾酒效应”。

在这项研究中，科学家并没有使用单一基质。

而是将钆、镥、钇、钪、镓五种阳离子混合，掺入铒离子。

这就是Er:GdLuYSGG晶体。

多种阳离子随机占据晶格位置，造成了严重的晶格畸变。

这种“混乱”的微观结构，改变了晶体内部的局域电场。

结果就是，激光的“车道”变宽了。

晶体在966纳米处的吸收带，以及2.8微米附近的荧光发射带，都得到了显著拓宽。

这就好比从单车道变成了多车道高速公路。

这不仅提高了激光效率，还为产生超短脉冲激光奠定了基础。

光有理论设计不够，还得看实测数据。

研究团队使用半导体激光器进行端面泵浦。

在实验中，他们成功实现了连续波激光输出。

结果显示，平均输出功率达到了1062毫瓦。

这是一个相当可观的数值，超过了1瓦特的大关。

更重要的是光束质量。

光束质量因子分别为1.35和1.37。

这个数值越接近1，说明光束质量越好，越接近理想的衍射极限。

这意味着激光能量非常集中，发散极小。

为了体现进步，团队将其与常规的Er:LuYSGG晶体进行了对比。

结果显示，新型高熵晶体的最大平均输出功率提升了约16.8%。

这种提升在激光领域是非常显著的。

它证明了高熵策略在氧化物激光晶体中具有巨大的应用潜力。

把目光放长远，我们能看到这项研究在科学史上的位置。

“高熵”概念最早提出是在2004年左右。

当时主要是指高熵合金，即由五种以上元素组成的金属合金。

这种材料打破了传统合金的设计理念，展现出了极高的强度和热稳定性。

随后的二十年里，高熵概念迅速扩展。

从高熵陶瓷到高熵薄膜，科学家们不断试探“混乱”的边界。

但是，将高熵概念引入光学激光晶体，难度极大。

激光晶体对纯净度和有序度要求极高。

生长过程中容易出现组分偏析、开裂等问题。

中科院团队的这项工作，突破了生长高熵晶体材料的长期挑战。

他们将高熵设计从结构材料推向了功能材料。

这标志着高熵材料的研究进入了精细化、功能化的新阶段。

这不仅是材料的进步，更是晶体生长工艺的胜利。

对于中国读者来说，这项成果有着特殊的意义。

激光晶体，尤其是稀土掺杂晶体，高度依赖稀土资源。

而这正是中国的“王牌”。

中国拥有全球最完善的稀土产业链和最丰富的储量。

研究中用到的钆、镥、钇、钪等，全是关键的稀土元素。

过去，我们有时只卖稀土原料，或者低端加工。

而现在，中国科学家正将这些资源转化为高精尖的科技产品。

中科院合肥物质科学研究院在激光物理和晶体生长方面底蕴深厚。

从早期的神光装置，到如今的深紫外激光，再到这次的高熵晶体。

中国科研团队一直在不断积累技术势能。

这种Er:GdLuYSGG晶体，不仅是实验室的样品。

它直接指向了未来的空间通信和行星探测。

在太空这种高辐射、极端温差的环境下，高性能的激光材料至关重要。

这项成果表明，在下一代太空激光技术的核心材料争夺中。

中国已经不再仅仅是跟随者，而是成为了领跑者之一。

我们用“混乱”的高熵策略，换来了激光性能的“有序”提升。

这或许就是材料科学最迷人的辩证法。

Zhang, H., et al. Structure, Spectroscopy and Enhanced 2.8 μm Laser Performance of a High-Entropy Er:GdLuYSGG Crystal. Crystal Growth & Design (2025). DOI: 10.1021/acs.cgd.5c01447