固體激光器詳解

固體激光器用固體激光材料作為工作物質的激光器。1960年，T.H.梅曼發(fā)明的紅寶石激光器就是固體激光器，也是世界上第一臺激光器。固體激光器一般由激光工作物質、激勵源、聚光腔、諧振腔反射鏡和電源等部分構成。

這類激光器所采用的固體工作物質，是把具有能產生受激發(fā)射作用的金屬離子摻入晶體而制成的。在固體中能產生受激發(fā)射作用的金屬離子主要有三類： (1)過渡金屬離子（如Cr3+）；(2)大多數鑭系金屬離子（如Nd3+、Sm2+、Dy2+等）；(3)錒系金屬離子（如U3+）。這些摻雜到固體基 質中的金屬離子的主要特點是：具有比較寬的有效吸收光譜帶，比較高的熒光效率，比較長的熒光壽命和比較窄的熒光譜線，因而易于產生粒子數反轉和受激發(fā)射。 用作晶體類基質的人工晶體主要有：剛玉（NaAlSi2O6）、釔鋁石榴石（Y3Al5，O12）、鎢酸鈣（CaWO4）、氟化鈣（CaF2）等，以及鋁 酸釔（YAlO3）、鈹酸鑭（La2Be2O5）等。用作玻璃類基質的主要是優(yōu)質硅酸鹽光學玻璃，例如常用的鋇冕玻璃和鈣冕玻璃。與晶體基質相比，玻璃基 質的主要特點是制備方便和易于獲得大尺寸優(yōu)質材料。對于晶體和玻璃基質的主要要求是：易于摻入起激活作用的發(fā)光金屬離子；具有良好的光譜特性、光學透射率 特性和高度的光學（折射率）均勻性；具有適于長期激光運轉的物理和化學特性（如熱學特性、抗劣化特性、化學穩(wěn)定性等）。晶體激光器以紅寶石 （Al2O3：Cr3+）和摻釹釔鋁石榴石（簡寫為YAG：Nd3+）為典型代表。玻璃激光器則是以釹玻璃激光器為典型代表。

工作物質

固體激光器的工作物質，由光學透明的晶體或玻璃作為基質材料，摻以激活離子或其他激活物質構成。這種工作物質一般應具有良好的物理－化學性質、窄的熒光譜線、強而寬的吸收帶和高的熒光量子效率。

玻璃激光工作物質容易制成均勻的大尺寸材料，可用于高能量或高峰值功率激光器。但其熒光譜線較寬，熱性能較差，不適于高平均功率下工作。常見的 釹玻璃有硅酸鹽、磷酸鹽和氟磷酸鹽玻璃。80年代初期，研制成功折射率溫度系數為負值的釹玻璃，可用于高重復頻率的中、小能量激光器。

晶體激光工作物質一般具有良好的熱性能和機械性能，窄的熒光譜線，但獲得優(yōu)質大尺寸材料的晶體生長技術復雜。60年代以來已有 300種以上摻入各種稀土金屬或過渡金屬離子氧化物和氟化物晶體實現了激光振蕩。常用的激光晶體有紅寶石(Cr:Al2O3,波長6943埃)、摻釹釔鋁 石榴石（Nd:Y3Al5O12，簡稱Nd:YAG,波長1.064微米）、氟化釔鋰(LiYF4,簡稱YLF;Nd:YLF,波長1.047或1.05 微米;Ho:Er:Tm:YLF,波長2.06微米)等。

1973年以來又有一類自激活激光晶體。它的激活離子是晶體的一個化學組分,因而激活離子濃度高,不致產生熒光猝滅。這種晶體的激光增 益高，抽遠閾值低。主要品種有五磷酸釹(NdP5O14)、四磷酸鋰釹(NdLiP4O12)和硼酸鋁釹（NdAl3(BO4)3）等。它們多用熔鹽法生 長,晶體尺寸小，可用于小型固體激光器。

已研制成的還有多種具有寬帶熒光特性的可調諧激光晶體,如終端聲子躍遷的金綠寶石（Cr:BeAl2O4,波長0.701～0.815微米，室 溫工作）、摻鎳氟化鎂（Ni:MgF2,波長1.6～1.8微米，低溫工作）、5d→4f 躍遷的摻鈰氟化釔鋰（Ce:YLF,波長0.306～0.315微米,用準分子激光器激勵，室溫工作）和堿鹵化物的色心激光晶體（不摻雜或摻雜的氯化鉀、 氟化鋰等，波長0.8～3.9微米，大多在低溫下工作）。

激勵源

固體激光器以光為激勵源。常用的脈沖激勵源有充氙閃光燈；連續(xù)激勵源有氪弧燈、碘鎢燈、鉀銣燈等。在小型長壽命激光器中，可用半導體發(fā)光二極管或太陽光作激勵源。一些新的固體激光器也有采用激光激勵的。

固體激光器由于光源的發(fā)射光譜中只有一部分為工作物質所吸收，加上其他損耗，因而能量轉換效率不高，一般在千分之幾到百分之幾之間。

特性

固體激光器可作大能量和高功率相干光源。紅寶石脈沖激光器的輸出能量可達千焦耳級。經調 Q和多級放大的釹玻璃激光系統的最高脈沖功率達10瓦。釔鋁石榴石連續(xù)激光器的輸出功率達百瓦級，多級串接可達千瓦。

固體激光器運用Q開關技術（見光調制）,可以得到納秒至百納秒級的短脈沖，采用鎖模技術可得到皮秒至百皮秒量級的超短脈沖。

由于工作物質的光學不均勻性等原因，一般固體激光器的輸出為多模。若選用光學均勻性好的工作物質和采取精心設計諧振腔等技術措施，可得到光束發(fā)散角接近衍射極限的基橫模(TEM00)激光,還可獲得單縱模激光

應用和趨勢

固體激光器在軍事、加工、醫(yī)療和科學研究領域有廣泛的用途。它常用于測距、跟蹤、制導、打孔、切割和焊接、半導體材料退火、電子器件微加工、大 氣檢測、光譜研究、外科和眼科手術、等離子體診斷、脈沖全息照相以及激光核聚變等方面。固體激光器還用作可調諧染料激光器的激勵源。

固體激光器的發(fā)展趨勢是材料和器件的多樣化，包括尋求新波長和工作波長可調諧的新工作物質，提高激光器的轉換效率，增大輸出功率，改善光束質量，壓縮脈沖寬度，提高可靠性和延長工作壽命等。