[科普中国]-固体激光器

简介

1960年，T.H.梅曼发明的红宝石激光器就是固体激光器，也是世界上第一台激光器。固体激光器一般由激光工作物质、激励源、聚光腔、谐振腔反射镜和电源等部分构成。2

这类激光器所采用的固体工作物质，是把具有能产生受激发射作用的金属离子掺入晶体而制成的。在固体中能产生受激发射作用的金属离子主要有三类：⑴过渡金属离子（如Cr3+）；⑵大多数镧系金属离子（如Nd3+、Sm2+、Dy2+等）；⑶锕系金属离子（如U3+）。这些掺杂到固体基质中的金属离子的主要特点是：具有比较宽的有效吸收光谱带，比较高的荧光效率，比较长的荧光寿命和比较窄的荧光谱线，因而易于产生粒子数反转和受激发射。用作晶体类基质的人工晶体主要有：刚玉（NaAlSi2O6）、钇铝石榴石（Y3Al5，O12）、钨酸钙（CaWO4）、氟化钙（CaF2）等，以及铝酸钇（YAlO3）、铍酸镧（La2Be2O5）等。用作玻璃类基质的主要是优质硅酸盐光学玻璃，例如常用的钡冕玻璃和钙冕玻璃。与晶体基质相比，玻璃基质的主要特点是制备方便和易于获得大尺寸优质材料。对于晶体和玻璃基质的主要要求是：易于掺入起激活作用的发光金属离子；具有良好的光谱特性、光学透射率特性和高度的光学（折射率）均匀性；具有适于长期激光运转的物理和化学特性（如热学特性、抗劣化特性、化学稳定性等）。晶体激光器以红宝石（Al2O3：Cr3+）和掺钕钇铝石榴石（简写为YAG：Nd3+）为典型代表。玻璃激光器则是以钕玻璃激光器为典型代表。

工作物质固体激光器的工作物质，由光学透明的晶体或玻璃作为基质材料，掺以激活离子或其他激活物质构成。这种工作物质一般应具有良好的物理－化学性质、窄的荧光谱线、强而宽的吸收带和高的荧光量子效率。

玻璃激光工作物质容易制成均匀的大尺寸材料，可用于高能量或高峰值功率激光器。但其荧光谱线较宽，热性能较差，不适于高平均功率下工作。常见的钕玻璃有硅酸盐、磷酸盐和氟磷酸盐玻璃。80年代初期，研制成功折射率温度系数为负值的钕玻璃，可用于高重复频率的中、小能量激光器。

晶体激光工作物质一般具有良好的热性能和机械性能，窄的荧光谱线，但获得优质大尺寸材料的晶体生长技术复杂。60年代以来已有 300种以上掺入各种稀土金属或过渡金属离子氧化物和氟化物晶体实现了激光振荡。常用的激光晶体有红宝石（Cr:Al2O3，波长6943埃）、掺钕钇铝石榴石（Nd:Y3Al5O12，简称Nd:YAG，波长1.064微米）、氟化钇锂（LiYF4，简称YLF;Nd:YLF，波长1.047或1.053微米;Ho:Er:Tm:YLF，波长2.06微米）等。

1973年以来又有一类自激活激光晶体。它的激活离子是晶体的一个化学组分，因而激活离子浓度高，不致产生荧光猝灭。这种晶体的激光增益高，抽远阈值低。主要品种有五磷酸钕（NdP5O14）、四磷酸锂钕（NdLiP4O12）和硼酸铝钕【NdAl3(BO4）3】等。它们多用熔盐法生长，晶体尺寸小，可用于小型固体激光器。

已研制成的还有多种具有宽带荧光特性的可调谐激光晶体，如终端声子跃迁的金绿宝石（Cr:BeAl2O4，波长0.701～0.815微米，室温工作）、掺镍氟化镁（Ni:MgF2，波长1.6～1.8微米，低温工作）、5d→4f跃迁的掺铈氟化钇锂（Ce:YLF，波长0.306～0.315微米，用准分子激光器激励，室温工作）和碱卤化物的色心激光晶体（不掺杂或掺杂的氯化钾、氟化锂等，波长0.8～3.9微米，大多在低温下工作）。

激励源固体激光器以光为激励源。常用的脉冲激励源有充氙闪光灯；连续激励源有氪弧灯、碘钨灯、钾铷灯等。在小型长寿命激光器中，可用半导体发光二极管或太阳光作激励源。一些新的固体激光器也有采用激光激励的。

固体激光器由于光源的发射光谱中只有一部分为工作物质所吸收，加上其他损耗，因而能量转换效率不高，一般在千分之几到百分之几之间。

特性固体激光器可作大能量和高功率相干光源。红宝石脉冲激光器的输出能量可达千焦耳级。经调Q和多级放大的钕玻璃激光系统的最高脉冲功率达10瓦。钇铝石榴石连续激光器的输出功率达百瓦级，多级串接可达千瓦。

固体激光器运用Q开关技术（电光调制），可以得到纳秒至百纳秒级的短脉冲，采用锁模技术可得到皮秒至百皮秒量级的超短脉冲。

由于工作物质的光学不均匀性等原因，一般固体激光器的输出为多模。若选用光学均匀性好的工作物质和采取精心设计谐振腔等技术措施，可得到光束发散角接近衍射极限的基横模（TEM00）激光，还可获得单纵模激光。

应用趋势固体激光器在军事、加工、医疗和科学研究领域有广泛的用途。它常用于测距、跟踪、制导、打孔、切割和焊接、半导体材料退火、电子器件微加工、大气检测、光谱研究、外科和眼科手术、等离子体诊断、脉冲全息照相以及激光核聚变等方面。固体激光器还用作可调谐染料激光器的激励源。

固体激光器的发展趋势是材料和器件的多样化，包括寻求新波长和工作波长可调谐的新工作物质，提高激光器的转换效率，增大输出功率，改善光束质量，压缩脉冲宽度，提高可靠性和延长工作寿命等。

分类1.可调谐近红外固体激光器 1988年，Petricev等发现4价铬（Cr可掺合到4配价的Mg2SiO4四方晶格中（Cr∶Mg2SiO4称之为镁橄榄石。镁橄榄石通常被Nd∶YA G激光器泵浦，并且可调谐在1,1301,367nm之间，以锁模方式输出几瓦的功率。Cr∶YA G也是不主动Q开关含钕激光器的良好介质。

Cr∶LiSA F1988年由Livemor实验室研制成功，主要用于超短脉冲的发生和放大，具有从780nm990nm可调谐的优点，并有较好的热力学性质。为材料处理、组织消融、化学和生物过程的快速研究提供了重要的手段。Cr∶LiSA F也可通过腔内倍频蓝光输出和Q开关用于遥感水蒸汽的检测。

2.可调谐紫外Ce3+激光器 Ce∶LiSA F由于其离特有性质，基本的激光物理性质类似于染料激光器。可被侧面泵浦和端面泵浦，波长在280320nm之间，可调谐平均功率>100mW

3.可调谐中红外Cr2+激光器 室温条件下，可调谐中红外固体激光器的发射，由于工作波长较长和频带较宽，导致了非辐射延迟的增加（将泵浦光转变为热，而不是激光辐射）Cr2+∶ZnSe激光器首先获得了室温下的可调谐中红外激光发射，并未受到非辐射延迟的晦气影响。这种资料的吸收和发射光谱显示可用1800nm二极管泵浦提供2,2003,000nm之间的可调谐发射波长。

4.镱（Yb激光器 由于Yb∶YA G晶体具有非常低的热载荷（大约是Nd∶YA G晶体的1/3用943nmInGaA 二极管端面泵浦就可得到大于150W功率。另外掺镱的氟磷酸锶Sr5PO43FYb∶S-FA P用900nm激光二极管泵浦可以产生1,047nm激光，输出功率50WQ开关能量47mJ27n脉冲。

5.掺钛蓝宝石激光器 掺钛蓝宝石激光器是以TiA l2O3晶体为激光介质的激光器（简称Ti∶S激光器）具有调谐范围宽（6701200nm输出功率大、转换效率高、运转方式多样等特点。