焰熔法合成寶石技術(shù)（二）

沈才卿，陸太進(jìn)，沈湄，劉結(jié)文

1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院2.國家珠寶玉石首飾檢驗(yàn)集團(tuán)有限公司①3.臺(tái)灣寶石學(xué)協(xié)會(huì)榮譽(yù)理事長②4.原中恒譽(yù)資產(chǎn)評估公司

第三節(jié) 焰熔法合成剛玉類寶石

焰熔法合成剛玉類寶石包括合成無色藍(lán)寶石、各種彩色藍(lán)寶石、不同紅色的紅寶石及合成星光紅寶石和星光藍(lán)寶石等寶石晶體，其工作原理及工藝過程同前所述。需要指出的是彩色合成藍(lán)寶石和合成紅寶石的生長，在粉料制備時(shí)需加入著色劑，使晶體著色；合成星光紅寶石和星光藍(lán)寶石時(shí)，除了在粉劑中添加著色劑外，還須加入少量星化劑，使生長出的晶體具有星光效應(yīng)。

焰熔法合成剛玉類寶石的具體工藝步驟如下。

一、合成剛玉類寶石原料的選擇與提純

（一）原料的選擇

目前，國內(nèi)外焰熔法合成剛玉類寶石都采用硫酸鋁銨（又名鋁銨礬）作為制備γ－Al2O3粉料的首選原料，選用鋁銨礬作為原料的優(yōu)點(diǎn)是：

（1）鋁銨礬原料豐富，價(jià)格低廉，提純方法簡單有效；

（2）鋁銨礬分子式為(NH4)2Al2(SO4)4·24H2O，其中Al2O3的含量僅為11%，經(jīng)焙燒后，其余89%成為氣體燒失了，這樣，可使焙燒產(chǎn)物松散流動(dòng)性好；

（3）由于鋁銨礬的溶解系數(shù)很大，可采用簡單的重結(jié)晶法進(jìn)行提純，而且在重結(jié)晶過程中，它的排雜效果很好，只需經(jīng)3～4 次重結(jié)晶，鋁銨礬的純度就可達(dá)99.9%～99.95%。

（二）原料的制備與提純

（1）鋁銨礬的制備

以硫酸鋁：硫酸銨=2.5：l 的配比進(jìn)行配料并混合均勻，然后按料水比為1：1.5 配比，加熱至沸，完全溶解后，緩緩冷卻析晶即成鋁銨礬，其反應(yīng)為：Al2(SO4)3+(NH4)SO4+24H2O→(NH4)2Al2(SO4)4·24H2O

（2）鋁銨礬的提純

將合成的鋁銨礬在蒸餾水或去離子水中溶解，然后反復(fù)重結(jié)晶3～5 次，即可得99.9%以上純度的原料。

重結(jié)晶時(shí)用H2SO4調(diào)節(jié)pH 值，當(dāng)pH 值＞3.5 時(shí)，結(jié)晶過程中可除去K+。因?yàn)镵2O 是引起剛玉寶石內(nèi)部產(chǎn)生散射顆粒和寶石脆裂的主要原因之一，所以必須除去。然后降低PH 值再溶解后重結(jié)晶，可除去雜質(zhì)Fe3+和Ti4+，其它雜質(zhì)Cu2+、Mn4+、Ga3+、Cr3+、Mg2+、Na+、SiO2等，經(jīng)三次重結(jié)晶后殘余量大約為I0-7～10-6g/L，不會(huì)影響剛玉寶石的晶體質(zhì)量。

二、合成剛玉類寶石粉料的制備

（一）無色合成剛玉寶石（無色合成藍(lán)寶石）粉料的制備

合成剛玉類寶石要求粉料結(jié)構(gòu)為γ－Al2O3。γ－Al2O3粉料是通過焙燒鋁銨礬來獲得的，鋁銨礬在焙燒過程中進(jìn)行熱分解反應(yīng)，經(jīng)過脫水和分解階段，最終得到γ－Al2O3，各階段反應(yīng)式如下：

（1）鋁銨礬脫水階段

（2）無水硫酸鋁銨分解階段

（3）硫酸鋁分解階段

鋁銨礬在接近200 °C 時(shí)，失去23 個(gè)水分子，吸收大量熱能，引起爐溫驟降，致使容器或爐膛破損，因此需要預(yù)先對鋁銨礬進(jìn)行脫水處理，可先在脫水爐內(nèi)進(jìn)行。同時(shí)鋁銨礬脫水量對其燒成的爐料的物理性狀有影響，隨著脫水率的提高，爐料的容積密度增加，過篩度降低，這表明爐料的分散性和流動(dòng)性變差。然而脫水率小于60%時(shí)，所得爐料的性狀尚屬優(yōu)異，因此脫水爐的爐溫最好控制在小于300 °C，脫水量應(yīng)小于60%。

爐料焙燒時(shí)采用高溫入爐、高溫出爐方法。這是提高爐料焙燒生產(chǎn)率的有效措施，同時(shí)可使?fàn)t料快速加熱分解，容易獲得高分散度的γ－Al2O3，而且高溫出爐又能減少爐料表面吸附物。可將己經(jīng)脫水處理的鋁銨礬連同蒸發(fā)器裝入爐溫為600 °C 的焙燒爐內(nèi)，或?qū)朊撍匿X銨礬塊直接投入高溫爐爐膛內(nèi)，快速（大于300 °C / h）升溫到1050 °C，保溫2～3 小時(shí)后，停電稍冷，即將粉料取出，置于防塵、防潮的料桶內(nèi)自然冷卻，降至室溫后即裝入170～200 目/吋2振動(dòng)篩過篩，篩得的爐料裝入瓶中密閉保存。爐溫在1000 °C 左右，可保證所得粉料基本上是γ－Al2O3。若溫度過高，γ－Al2O3會(huì)發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，形成α－Al2O3，粉料有收縮現(xiàn)象，顆粒也會(huì)變粗。硫酸鋁銨的差熱曲線參見圖4-53。

圖4-53 硫酸鋁銨的差熱曲線圖

用上述條件制備的γ－Al2O3粉料易于過篩，吸附物和欠燒物含量很少，容重也符合優(yōu)質(zhì)爐料的性能指標(biāo)，容積密度為0.26～0.33 g/ml。所得γ－Al2O3的重量僅占鋁銨礬重量的11.2%。

（二）彩色合成剛玉類寶石（合成紅寶石及彩色合成藍(lán)寶石）粉料的制備

彩色合成剛玉類寶石粉料的成份是γ－Al2O3和少量著色劑。著色劑多為過渡元素的氧化物或稀土元素的氧化物，其作用是使致色離子進(jìn)人晶格，使晶體對可見光產(chǎn)生有選擇的吸收，從而使晶體著色。

彩色合成剛玉類寶石粉料是通過在原料（鋁銨礬）中添加著色劑，再經(jīng)脫水焙燒而獲得的。具體的方法是：將著色劑配制成一定濃度的溶液并按要求加入鋁銨礬中。鋁銨礬受熱溶解后，著色劑也就均勻分布在鋁銨礬溶液中。再將混有著色劑的鋁銨礬置于脫水爐中脫水及焙燒爐中焙燒，脫水和焙燒過程同前所述。這樣，著色劑就均勻地分布在粉料中了。彩色合成剛玉粉料的容積密度通常為0.30～0.33 g/ml。

需要注意的是，有時(shí)可發(fā)現(xiàn)制成的粉料顏色與生長出的晶體顏色完全不同。例如合成紅寶石晶體的粉料呈現(xiàn)微黃和綠色，而生長出的晶體則呈紅色。這主要是因?yàn)镃r3+在γ－Al2O3晶體中受到擠壓，使Cr3+―O 鍵長變短的緣故。

在合成剛玉類寶石中，加入著色劑的種類和含量不同，使寶石產(chǎn)生的顏色也不同，其相互關(guān)系見表4-1 所示。

表4-1 合成剛玉系列寶石加入著色劑與呈現(xiàn)顏色

（三）合成星光剛玉寶石粉料的制備

星光紅、藍(lán)寶石形成的機(jī)理是在剛玉六方柱晶體內(nèi)部存在細(xì)小的針狀包裹體，并且這些針狀包裹體呈三組互成60 °的線條狀排布。將此剛玉晶體垂直C 軸磨成素面凸圓形，在光線照射下，晶體內(nèi)部的三組針狀包裹體可聚合成六射星狀亮線，即具星光效應(yīng)。常見星光紅寶石和星光藍(lán)寶石晶體內(nèi)部的針狀包裹體為金紅石（TiO2），所以也稱TiO2為星化劑。因此，合成星光紅寶石及星光藍(lán)寶石的粉料應(yīng)由γ－Al2O3+著色劑+星化劑組成。

合成星光紅、藍(lán)寶石粉料的制備方法是：在原料中加入著色劑的同時(shí)，也加入一定量的TiO2星化劑，通常TiO2的加入量為0.1%～0.3%。然后同前所述對調(diào)配好的混合料進(jìn)行脫水和焙燒，所需粉料即可制得。

三、合成剛玉類寶石晶體生長

（一）所有剛玉類的寶石晶體進(jìn)行焰熔法生長時(shí)的工藝條件及操作步驟基本相似

首先將籽晶安放在三氧化二鋁為原料制備的升降棒或耐火粘土棒的頂端，以便控制晶體的結(jié)晶方位，優(yōu)選方位是60 o。開爐后，供料系統(tǒng)、燃燒器及下降機(jī)構(gòu)開始工作。剛玉的熔點(diǎn)約2050 °C，氫氧火焰的工作溫度為2900 °C，其中生長無色合成藍(lán)寶石的H2：O2＝（2.0～2.5）：1；生長合成紅寶石的H2：O2＝（2.8～3.0）：1；生長合成藍(lán)寶石的H2：O2＝（3.6～4.0）：1。調(diào)節(jié)晶棒的位置，使晶體頂部的溫度高于熔點(diǎn)2050 °C 而低于2150 °C，從而保證有2～3 mm 的熔融層。經(jīng)過籽晶的擴(kuò)大放肩，再進(jìn)行等徑生長到預(yù)定長度尺寸。最后，晶體停止生長，關(guān)爐之后，應(yīng)以原狀放在爐內(nèi)冷卻。此時(shí)的冷卻條件對晶體質(zhì)量也有相當(dāng)大的影響，若采用急冷，晶體內(nèi)外溫度差較大，會(huì)引起內(nèi)應(yīng)力增加，使晶體表面脆性增大，容易開裂。圖4-54 是作者收藏的樣品，中間的是1994 年參觀中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所晶體實(shí)驗(yàn)室時(shí)張道標(biāo)教授送給作者的不同顏色樣品，四周的紅寶石晶體是1997 年浙江衢州市巨化集團(tuán)公司晶體材料廠廠長孫廣年送給作者的標(biāo)本（注：孫廣年廠長是2006 年離開巨化集團(tuán)晶體材料廠的）。

圖4-54 焰熔法合成不同顏色剛玉晶體（沈才卿藏品）

（二）彩色合成剛玉晶體生長

在彩色合成剛玉時(shí)，由于著色劑的加入，會(huì)使粉料的熔點(diǎn)降低，因此晶體生長溫度也會(huì)降低，并且某些著色離子在剛玉中的分配系數(shù)小于1，所以由這些離子致色的晶體生長后會(huì)產(chǎn)生顏色不均勻或晶體易裂的缺陷。例如在生長合成藍(lán)寶石時(shí)，在原料中加入Fe2O3和TiO2兩種著色劑，在實(shí)際生產(chǎn)中，發(fā)現(xiàn)該粉料容易過熔，熔體冷卻時(shí)鐵、鈦離子會(huì)以不同速度向晶體表面擴(kuò)散，不同速度擴(kuò)散造成的后果是晶體顏色不均勻，藍(lán)寶石晶體表面藍(lán)色深，越往晶體中心藍(lán)色越淺，甚至中心區(qū)出現(xiàn)無色的狀況。參見圖4-55 最下邊的二塊。

圖4-55 焰熔法合成藍(lán)寶石（中心白）（沈才卿藏品）

為了解決這一問題，孫廣年廠長進(jìn)行了較長時(shí)間的研究，取得了比較滿意的成果，見圖4-56 和圖4-57。

（三）改進(jìn)焰熔法合成藍(lán)色藍(lán)寶石的工藝條件

（1）焰熔法合成藍(lán)寶石晶體時(shí)，應(yīng)將氫氣和氧氣的比例設(shè)定在（2.0～3.0）：1 的狀態(tài)，溫度調(diào)到（2045～2080 °C），建立穩(wěn)定的生長速度（10～20 mm/h）。

（2）在AI2O3粉體中摻入適量的鐵和鈦元素TiO2（0.5%）、Fe2O3（1.5%），才能獲得高品質(zhì)的藍(lán)寶石晶體。

（3）在設(shè)定的溫度和溫度梯度的條件下，氫氣和氧氣的比例為（2.0～3.0）：1 時(shí)，晶體顏色為正常色，當(dāng)改變氫氣或氧氣的比例時(shí)，相當(dāng)于改變了鐵、鈦離子的價(jià)態(tài)，藍(lán)寶石晶體的顏色就會(huì)發(fā)生深淺的變化。

（4）不穩(wěn)定的氣流比和生長速度，會(huì)造成溫度梯度的變化，這些都會(huì)改變晶體內(nèi)部鐵和鈦離子的價(jià)態(tài)，也就會(huì)直接影響晶體的品質(zhì)。

改進(jìn)后可生長出(Ф16～18) mm×40 mm 的合成藍(lán)寶石晶體，白心有所改觀。

剛玉類寶石生長的晶體重量不一，通常為150～750 ct 大小的梨晶，直徑達(dá)17～19 mm。目前最大能生產(chǎn)直徑達(dá)32 mm 的晶體。

（四）焰熔法合成剛玉類寶石的品種

2004 年11 月2 日，廣西梧州舉辦首屆國際寶石節(jié)，梧州是中國珠寶玉石首飾行業(yè)協(xié)會(huì)人工寶石特色產(chǎn)業(yè)基地，這里有全國最大的人工寶石產(chǎn)供銷齊全的寶石城，為了買賣雙方訂貨的方便，各廠家把自己廠里的產(chǎn)品裝訂成標(biāo)準(zhǔn)色板，簡稱樣板。孫廣年廠長的樣板，分為剛玉類和尖晶石類，見圖4-47（見176期76 頁）。現(xiàn)在我們來看一下剛玉類樣板中有些什么品種，參見圖4-58。

圖4-58 焰熔法合成剛玉類寶石樣板（2004 年）

樣板的圖片太小，我們把編號(hào)、中文名稱介紹一下：1.25 號(hào)（黃玉玖瑰紅），2 號(hào)（黃玉深玖瑰紅），3 號(hào)（淺玖瑰紅），4 號(hào)（玖瑰紅），5 號(hào)（深玖瑰紅），7 號(hào)（淺紅色），8 號(hào)（深紅色），12 號(hào)（超白色），45 號(hào)（藍(lán)變色剛玉），46 號(hào)（變色剛玉）。

中科院上海硅酸鹽研究所合成各種顏色的剛玉類晶體，參見圖4-59。

圖4-59 中科院上海硅酸鹽研究所合成的各色剛玉梨晶（張道標(biāo)提供照片）

（五）焰熔法合成剛玉類晶體的退火處理

退火處理的主要條件為溫度和時(shí)間。焰熔法生長出的剛玉類寶石晶體由于溫度梯度大造成內(nèi)應(yīng)力大，必須經(jīng)退火處理。通常一根50 mm 的梨晶，頂部熔融層溫度為2050 °C，而底部可能只有1500 °C，因而結(jié)晶過程中使得晶體中的內(nèi)應(yīng)力可達(dá)8～10 kg/mm2。若不退火消除內(nèi)應(yīng)力，則在加工和使用過程中非常容易軸向破裂。用于珠寶首飾的焰熔法合成剛玉寶石晶體一般不退火，所以，都是從內(nèi)應(yīng)力最大的生長軸方向劈開，加工時(shí)常以外園面作為臺(tái)面進(jìn)行切磨加工。

對于無色和彩色合成剛玉（不包括合成星光剛玉）寶石晶體，其退火溫度為1800 °C 左右，時(shí)間30～50小時(shí)左右。

合成星光紅、藍(lán)寶石晶體的退火處理很重要。其退火的主要目的是使星化劑TiO2在高溫下發(fā)生擴(kuò)散作用，均勻分布，然后降溫使TiO2生成金紅石礦物在剛玉晶體的六方柱結(jié)構(gòu)上以針狀析出，從而產(chǎn)生星光效應(yīng)；其次才是為了消除內(nèi)應(yīng)力。通常其退火溫度與時(shí)間成反比，如1100 °C時(shí)退火72小時(shí)；1300 °C時(shí)，退火24 小時(shí)；1500 °C 時(shí)，退火僅2 小時(shí)。國內(nèi)合成星光紅寶石晶體的退火溫度通常為1420 °C，退火時(shí)間5 小時(shí)左右。

實(shí)驗(yàn)證實(shí)，當(dāng)合成星光寶石星化劑含量一定時(shí)，合成星光寶石針狀沉淀物的大小、含量與溫度、時(shí)間有關(guān)。星化溫度高，針狀沉淀物多，分布越有規(guī)律；星化時(shí)間長，沉淀物也多，針狀晶體發(fā)育完好，排列也更規(guī)則，從而合成星光寶石的星線變細(xì)、變亮、更清晰。參見圖4-60。

圖4-60 焰熔法合成的星光紅寶石和星光藍(lán)寶石

最近，張道標(biāo)、何雪梅等4 人寫了一篇論文“鈦在星光寶石中脫溶機(jī)理研究”，2021 年發(fā)表在《中國寶石》上，論文認(rèn)為：“剛玉質(zhì)星光寶石的星線是由三組互成120 °相交的針狀A(yù)l2TiO3晶體聚光而成。通過X 射線勞埃圖測定，顯微鏡觀察，掃描電鏡及離子探針等綜合研究表明：星化劑Ti 在寶石星化熱處理過程中擴(kuò)散到晶體表面，并富集在剛玉晶胞六方柱面上，形成針狀A(yù)l2TiO3。過剩的鈦形成粒狀金紅石（TiO2）及TiO2―Fe2O3固熔體或TiO2―Fe2O3―Al2O3固熔體等，影響星光星線的清晰度。所以，針狀沉淀物是鈦和鋁的固熔體。

四、焰熔法合成剛玉類寶石的廠家和產(chǎn)量

2004 年廣西梧州首屆國際寶石節(jié)期間，廠長們提供給沈才卿的全國焰熔法合成剛玉類寶石的廠家數(shù)和年產(chǎn)量：浙江巨化（40 噸），山東煙臺(tái)（20噸以上），江蘇蘇州（60 噸左右），浙江蕭山（7 噸左右），安徽合肥（50 噸左右），貴州鎮(zhèn)寧（10 噸左右），四川第八儀表廠（6～7 噸），四川長壽（8 噸左右），湖南黔陽（7噸左右），江蘇蘇州晶體元件廠（10噸左右），福建屏南（20 噸左右）。以上11 個(gè)地方，年產(chǎn)量約239 噸左右。以后各年的生產(chǎn)廠家及年產(chǎn)量沒有統(tǒng)計(jì)。

五、焰熔法合成寶石的雕刻工藝品

如圖4-34 至圖4-37 所示，當(dāng)焰熔法合成寶石的某些條件發(fā)生變化時(shí)，可能會(huì)得到非常不理想的晶體，這些晶體廠家并無用處，但在雕刻家手里，能變成漂亮的工藝品。參見圖4-61、4-62、4-63和圖4-64。

圖4-64 純白色剛玉圖章（王金蘭雕刻）

圖4-61 剛玉工藝品（王金蘭雕刻）

剛玉類寶石的莫氏硬度為9，僅次于金剛石。所以，進(jìn)行雕刻是很困難的，必須用金剛石雕刻刀和金剛石微粉慢慢地進(jìn)行，用較長時(shí)間才能完成。

圖4-62 剛玉仙桃（王金蘭雕刻）

圖4-63 剛玉玫瑰花（王金蘭雕刻）

六、激光紅寶石長桿晶的生長

自1960 年世界上首次用紅寶石作為工作物質(zhì)實(shí)現(xiàn)受激光發(fā)射后，激光和激光工作物質(zhì)的研究在國內(nèi)外受到了普遍重視。鑒于紅寶石在實(shí)現(xiàn)受激光發(fā)射上的作用及其具有高強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性好。Cr3+吸收譜帶寬、激光譜帶窄等特點(diǎn)受到關(guān)注。

根據(jù)張道標(biāo)先生提供的資料知道：1962 年中科院上海硅酸鹽研究所自選課題開展了“激光工作物質(zhì)紅寶石長桿晶的生長”。其后承擔(dān)了上海市“大功率激光紅寶石生長”的研究任務(wù)，并于1965 年參加了上海市科委組織的“激光工作物質(zhì)紅寶石長桿晶生長”的大會(huì)戰(zhàn)，參與單位有中科院上海硅酸鹽研究所、中科院上海光計(jì)所，上海新滬玻璃廠、上海萬豐玻璃廠、蘇州晶體元件廠等。中科院上海硅酸鹽研究所為會(huì)戰(zhàn)負(fù)責(zé)單位。

（一）研究工作概況

1、原料制備：紅寶石生長用的粉料是摻Cr3+硫酸鋁銨經(jīng)高溫焙燒分解得到的γ－Al2O3。通過原料研究，取得了以下結(jié)果：（1）用晶種法重結(jié)晶提純硫酸鋁銨，其純度可達(dá)99.999%，比一般原料高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)；（2）用調(diào)節(jié)硫酸鋁銨溶液PH 值的方法能有效去掉最難去除的有害雜質(zhì)鉀離子；（3）制定了合理的硫酸鋁銨焙燒制度，確保獲得滿足生長工藝要求的、物理狀態(tài)良好的爐料；（4）掌握了Cr2O3在紅寶石生長過程中的燒失情況，保證了不同尺寸時(shí)紅寶石都能有適當(dāng)?shù)腃r2O3實(shí)際含量（老前輩何雪梅說：實(shí)際選定的鉻含量為0.2%，鉻含量的選擇很重要，它涉及激光發(fā)射的閾值）。

2、生長工藝：晶體采用焰熔法生長。雖然焰熔法生長是成熟的工藝，但要生長φ32 mm×1000 mm以上國內(nèi)外絕無僅有的大尺寸紅寶石長桿晶，生長工藝必須有創(chuàng)新性發(fā)展：（1）改進(jìn)了紅寶石生長爐結(jié)構(gòu)、氧氣噴嘴及氫氧氣混合室的形狀和尺寸，從而保證了適合長桿晶生長的溫場；（2）確定了氫氧氣流量及其流量比，并創(chuàng)造了簡單有效的水封穩(wěn)壓技術(shù)，保證了氧氣流量的穩(wěn)定；（3）改進(jìn)了晶體接種技術(shù)的擴(kuò)大技術(shù)，確定了不同直徑的晶體相應(yīng)的生長速度；（4）為保證長時(shí)間、不間斷地進(jìn)行晶體生長，增設(shè)了可交替使用的氣體匯流排及在保證主料斗有足量粉料的情況下，副料斗可隨時(shí)加料的雙層料斗；（5）突破了紅寶石晶體必須完全處于生長爐內(nèi)生長的概念束縛。生長技術(shù)的改進(jìn)保證了晶體生長后期已生長的晶體部分處在爐堂外的條件仍能繼續(xù)維持生長，并取得了較高的重復(fù)性和成品率。

據(jù)老前輩何雪梅（1930 年生人）介紹：生長1 米長的激光紅寶石長桿晶需要七天七夜時(shí)間，保溫的爐膛比普通的稍長，但不能太長，因?yàn)轱h落的粉料會(huì)粘結(jié)在爐膛上，結(jié)圈后會(huì)影響爐溫，并增加清理爐壁的難度，因此，只能適當(dāng)延長爐膛。長出爐膛的晶體部分不能保溫，因?yàn)榫w在空氣中需經(jīng)過5～6 天，這樣長的時(shí)間后晶體溫度與室溫差不多一樣了。等長桿晶生長結(jié)束，需小心取下晶體棒進(jìn)行消除熱應(yīng)力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力的高溫退火處理，并且在退火過程中也會(huì)產(chǎn)生爆裂出廢品。另外，長桿晶的底部不能碰到冷的硬物，必須放在敷有保溫棉的板上，否則容易引起開裂。

紅寶石長桿晶生長工藝研究取得了穩(wěn)定生長直徑為φ8～30 mm，長度為80～1020 mm，的各種尺寸的晶體。晶體生長取向?yàn)?0 °或90 °。尺寸φ25 mm×500 mm的晶體生長成品率達(dá)70%以上。

3、退火：退火研究前期使用真空鎢絲爐或碳管爐進(jìn)行。研究工作確定了紅寶石晶體的退火制度。對紅寶石長桿晶的退火，在上述研究的基礎(chǔ)上，利用硅酸鹽研究所現(xiàn)有的煤氣窯和柴油窯進(jìn)行了退火試驗(yàn)。結(jié)果表明。柴油窯窯體空間大，爐溫可達(dá)1900 °C，退火效果好，是理想的退火設(shè)備和方法。

這是中科院上海硅酸鹽研究所特殊的激光紅寶石長桿晶的退火方法，原來是屬于保密級(jí)的，現(xiàn)在已經(jīng)解密，可以對外說了。老前輩何雪梅介紹：退火是用噴氧氣的、內(nèi)膛1.3 米左右的柴油窰，用高純電熔剛玉磚砌成長1.1 米，寬0.12 米的長糟，然后放入1 米長的長桿晶5～6 根，并填滿純電熔剛粗砂保護(hù)，防止晶體嚴(yán)重粘結(jié)不能剝離。退火溫度1900 °C，保溫8 小時(shí)，然后用每小時(shí)降溫10 °C 的速度降溫，降到1000 °C 以下才能停爐，讓晶體在退火爐中自然降溫至室溫。退好火的長桿晶表面會(huì)粘上很多電熔剛玉粗砂粒，需要小心和輕輕地清除掉。老前輩何雪梅強(qiáng)調(diào)：沒有經(jīng)過高溫消除應(yīng)力這一步，晶體是不能進(jìn)行下一步的加工的，否則很容易在加工時(shí)爆裂。

4、加工：在本項(xiàng)目研究工作中，對紅寶石激光棒加工取得兩項(xiàng)結(jié)果：（1）紅寶石激光棒外圓表面光潔度只需作▽5 要求，而無拋光必要；（2）研究結(jié)果表明，由于晶體結(jié)構(gòu)缺陷的存在，勢必引起光學(xué)畸變。因此，激光棒兩端面的幾何平行不等于“光學(xué)平行”，在加工時(shí)應(yīng)對激光棒端面進(jìn)行光學(xué)修磨，以實(shí)現(xiàn)其“光學(xué)平行”。

老前輩何雪梅老師說加工也是保密的，現(xiàn)在已經(jīng)解密，解答如下：激光紅寶石長桿晶的加工是在改造后的大型精密機(jī)床上進(jìn)行的。操作時(shí)夾住長桿晶晶體的一端，用頂針頂住另一端使它平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)，然后用二塊平面夾板夾住晶體慢慢滾磨，把晶體磨成精準(zhǔn)同心圓棒。如果同心圓不好，對激光發(fā)射有很大的影響，而一米長的激光棒要磨成同心圓是很不容易的。

5、光學(xué)測試：采用超顯微法觀察晶體中存在的氣泡、云層、散射顆粒等宏觀缺陷，其測試結(jié)果指導(dǎo)生長工藝的改進(jìn)。

用星點(diǎn)儀觀察光點(diǎn)因晶體折射率不均勻分布而造成的畸變和彌散，以定性判別晶體光學(xué)質(zhì)量并指導(dǎo)激光棒的加工修磨。

在激光性能測試方面進(jìn)行了靜態(tài)激光閾值、靜態(tài)激光輸出能量和效率，以及激光束發(fā)散角等測定。并對Cr3+濃度與寶石激光棒的激光閾值、輸出能量、效率之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。

（二）研究項(xiàng)目取得的成果

最大紅寶石光棒尺寸：φ28 mm×1020 mm；輸出能量達(dá)3000 焦耳（φ28 mm×860 mm）；激光輸出效率：φ16mm×500 mm 達(dá)1.28%；φ10 mm×150 mm 達(dá)1.7%，一般穩(wěn)定在0.8～1.2%之間。中科院上海硅酸鹽所生長的激光紅寶石晶體在激光測距、激光眼科治療儀等方面獲得實(shí)際應(yīng)用。

（三）獲獎(jiǎng)情況

此研究成果獲1980 年中科院科技成果二等獎(jiǎng)、1977 年上海市重大科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)，1978 年中科院重大科技成果獎(jiǎng)。并于1970 年推廣到河南省焦作市激光研究所。

（四）紅寶石激光長桿晶實(shí)體照片

該項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人之一張道標(biāo)研究員給沈才卿提供了一個(gè)光盤，其中有幾張紅寶石激光長桿晶的照片供大家欣賞。

圖4-65 激光紅寶石長桿晶照片之一（張道標(biāo)提供照片）

圖4-66 紅寶石激光長桿晶照片之二（張道標(biāo)提供照片）

圖4-67 激光紅寶石長桿晶照片之三（張道標(biāo)提供照片）

（五）參研人員

張道標(biāo)（負(fù)責(zé)人）、張綬慶（負(fù)責(zé)人）、王毛南（負(fù)責(zé)人）、何雪梅、唐元汾、胡百柳、廖晶瑩、樂秀宏等29 人。

從1965 年至2021 年，這段塵封了56 年的歷史被公布于世，揭示了中國科學(xué)家的聰明才智和奮勇前進(jìn)的擔(dān)當(dāng)，值得中國人傳頌。

（未完待續(xù)）