固體激光器

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(jīng)調(diào)Q和多級放大的釹玻璃激光系統(tǒng)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(guān)技術(shù)(電光調(diào)制)， 可以得到納秒至百納秒級的短脈沖，采用鎖模技術(shù)可得到皮秒至百皮秒量級的超短脈沖。

由于工作物質(zhì)的光學(xué)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(xué)均勻性好的工作物質(zhì)和采取精心設(shè)計諧振腔等技術(shù)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。

固體激光器在軍事、加工、醫(yī)療和科學(xué)研究領(lǐng)域有廣泛 的用途。它常用于測距、跟蹤、制導(dǎo)、打孔、切割和焊接、半導(dǎo)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(shù)、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(diào)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(diào)諧的新工作物質(zhì)，提高激光器的轉(zhuǎn)換效率，增大輸出功率，改善光束質(zhì)量，壓縮脈沖寬度，提高可靠性和延長工作壽命等。

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(zhì)、激勵源、聚光腔、諧振腔反射鏡和電源等部分構(gòu)成。

這類激光器所采用的固體工作物質(zhì)，是把具有能產(chǎn)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(chǎn)生受激發(fā)射作用的金屬離子主要有三類:⑴過渡金屬離子(如Cr3+);⑵大多數(shù)鑭系金屬離子(如Nd3+、Sm2+、Dy2+等);⑶錒系金屬離子(如U3+)。這些摻雜到固體基質(zhì)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(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和受激發(fā)射。用作晶體類基質(zhì)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(YA lO3)、鈹酸鑭(La2Be2O5)等。用作玻璃類基質(zhì)的主要是優(yōu)質(zhì)硅酸鹽光學(xué)玻璃，例如常用的鋇冕玻璃和鈣冕玻璃。與晶體基質(zhì)相比，玻璃基質(zhì)的主要特點是制備方便和易于獲得大尺寸優(yōu)質(zhì)材料。對于晶體和玻璃基質(zhì)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(xué)透射率特性和高度的光學(xué)(折射率)均勻性;具有適于長期激光運轉(zhuǎn)的物理和化學(xué)特性(如熱學(xué)特性、抗劣化特性、化學(xué)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。

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(dǎo)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(zhì)所吸收，加上其他損耗，因而能量轉(zhuǎn)換效率不高，一般在千分之幾到百分之幾之間。

1.可調(diào)諧近紅外固體激光器 1988年，Petricev等發(fā)現(xiàn)4價鉻(Cr可摻合到4配價的Mg2SiO4四方晶格中(Cr∶Mg2SiO4稱之為鎂橄欖石。鎂橄欖石通常被Nd∶YA G激光器泵浦，并且可調(diào)諧在1,1301,367nm之間，以鎖模方式輸出幾瓦的功率。Cr∶YA G也是不主動Q開關(guān)含釹激光器的良好介質(zhì)。

Cr∶LiSA F1988年由Livemor實驗室研制成功，主要用于超短脈沖的發(fā)生和放大，具有從780nm990nm可調(diào)諧的優(yōu)點，并有較好的熱力學(xué)性質(zhì)。為材料處理、組織消融、化學(xué)和生物過程的快速研究提供了重要的手段。Cr∶LiSA F也可通過腔內(nèi)倍頻藍光輸出和Q開關(guān)用于遙感水蒸汽的檢測。

2.可調(diào)諧紫外Ce3+激光器 Ce∶LiSA F由于其離特有性質(zhì)，基本的激光物理性質(zhì)類似于染料激光器?？杀粋?cè)面泵浦和端面泵浦，波長在280320nm之間，可調(diào)諧平均功率>100mW

3.可調(diào)諧中紅外Cr2+激光器 室溫條件下，可調(diào)諧中紅外固體激光器的發(fā)射，由于工作波長較長和頻帶較寬，導(dǎo)致了非輻射延遲的增加(將泵浦光轉(zhuǎn)變?yōu)闊?，而不是激光輻?Cr2+∶ZnSe激光器首先獲得了室溫下的可調(diào)諧中紅外激光發(fā)射，并未受到非輻射延遲的晦氣影響。這種資料的吸收和發(fā)射光譜顯示可用1800nm二極管泵浦提供2,2003,000nm之間的可調(diào)諧發(fā)射波長。

4.鐿(Yb激光器 由于Yb∶YA G晶體具有非常低的熱載荷(大約是Nd∶YA G晶體的1/3用943nmInGaA 二極管端面泵浦就可得到大于150W功率。另外摻鐿的氟磷酸鍶Sr5PO43FYb∶S-FA P用900nm激光二極管泵浦可以產(chǎn)生1,047nm激光，輸出功率50WQ開關(guān)能量47mJ27n脈沖。

5.摻鈦藍寶石激光器 摻鈦藍寶石激光器是以TiA l2O3晶體為激光介質(zhì)的激光器(簡稱Ti∶S激光器)具有調(diào)諧范圍寬(6701200nm輸出功率大、轉(zhuǎn)換效率高、運轉(zhuǎn)方式多樣等特點。

W.克希奈爾著，華光譯:《固體激光工程》，科學(xué)出版社，北京，1983。(W.K╂chner,Solid-State Laser Engineering,Springer-Verlag,New York,1976.)