固体激光器

　　固体激光器是用固体激光材料作为工作物质。1960年，T.H.梅曼发明了红宝石固体激光器，是世界上第一台激光器。固体激光器一般由5部分组成，分别为工作物质、激励源、聚光腔、谐振腔反射镜和电源等部分。

　　所谓固体激光器就是用固体激光材料作为工作物质的激光器。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。虽然激光枪的概念自从1960年发明激光以来就不绝于耳，但是传统通过化学反应来产生激光的做法太过笨重，对于军事用途来说很不现实。此次试验中所采用的固态激光器装置，在体积上要紧凑得多，并且是通过玻璃或陶瓷材料产生的。

　　固体激光器的工作物质，主要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。其中，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。而晶体激光工作物质一般具有良好的热性能和机械性能。自上世纪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，但是由于固体激光器光源的发射光谱中只有一部分为工作物质所吸收，再加上其他损耗，因而能量转换效率不高，一般在千分之几到百分之几之间。直到最近，技术的发展才实现了让固态激光装置产生和化学反应做法等量的能量。而这个重大问题的解决，相当于将固体激光武器的发展一下子送上了快车道。

　　固体激光器的特点大体上可归纳为：有较大的输出功率和较紧凑的结构。直到80年代末期，固体激光器的应用主要集中在科研与开发、加工、医疗和军用等四个方面。

　　在科研、开发方面，涉及面很广，包括作核聚变研究的高峰值功率激光器系统、作光谱研究和新材料开发用的超短脉冲激光器和可调谐激光器以及由同体激光器泵浦的染料可调谐激光器、作脉冲全息摄影用的红卞石激光器、作高速摄影用的超短脉冲激光器、测人造地球11星轨迹和）球表面用的高精度激光测距仪、遥感用的激光雷达等等。

　　在加工方面，主要用Nd：YAG激光器，平均功率从瓦级至千瓦级，用于打孔、切割、划片、焊接、阻值微调、打标和表面改性等。激光加工不仅极大地提高了工效和质量，而且有些加工工艺非激光莫属。例如吉列牌剃须刀片，每个刀片厚度仅0.1毫米，要用13个焊点焊在0.2毫米的托架上，就是用一台激光焊接饥在半秒钟内完成的。刀片焊点也不变形，其它厂艺很难做到。在微电厂工业中也有不少激光加工。在德国，近几年在汽车工业中兴起激光热，特别是固体激光受到重视，因为它可用柔软的光纤传输能量，容易同机器人结合，实多维空间的切割和焊接。

　　在医疗人面，主要用于外科手术、眼科治疗，兼及皮肤科、牙科。近年来利用固体激光易于通过光纤传输的优点，发展了内窥镜手术。激光医疗不仅减轻了患者的痛苦，而且许多手术比传统手术简便易行，不需住院，即可完成，因而可以节约大量医疗费用。

　　一种固体激光器的核心在于增益介质。对激光器的工作参数，如波长、功率、Q开关、锁模和光束质量都有重大的影响。例如，可以作为含钕（Nd激光器工作介质的晶体大约有 100种，但目前使用的含钕激光器，掺钕钇铝石榴石（Nd-dopedY3A l5O12Nd∶YA G仍为首选材料。而其他大多数材料并不实用。

　　Nd∶YA G晶体可生长出光学质量高的增益截面，并具有抗热断裂等特性。但另一方面，Nd∶YA G热透镜效应在许多激光系统中往往是有问题的Nd∶YLFLiYF4含钕激光器的另一种可供选择的工作介质，Nd∶YLF热透镜效应较Nd∶YA G小。另外一种掺钕的激光晶体是20年前就开始研制的Nd∶YVO4这种晶体的特殊性能是具有非常高的增益截面和低的阈值，但只能生长出尺寸相当小的晶体。时隔20年之后，激光二极管成为更加引人注目的产品，而Nd∶YVO4这样小的晶体在二极管泵浦中找到用场。

　　除了含钕激光器之外，还有其他许多基于13种稀土离子和6种跃迁金属离子的激光器，覆盖了1707000nm波长范围。而在几百种已知的激光晶体中，通常大约只有几十种被使用。

　　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。通过氩离子激光器、铜蒸汽激光器或YA G激光器泵浦均可获得连续输出功率达几十瓦、转换效率达 40[[[[[%]]]]]输出。主动锁模（如棱镜式声光调制器〕可获得超短脉冲近100fs不主动锁模（如采用DDI与HITCI染料做可饱和吸收体）已得到50100f脉宽结果。连续钛宝石激光谐振腔中加1对或2对色散棱镜即可实现锁模运转，获得飞秒量级的光脉冲。近年来特别是啁啾放大技术的发展，钛宝石激光器已获得峰值功率达1013W结果。

　　在军用方面，主要用于测距和目标指示。前者广泛用于步兵、炮兵、装甲车辆、飞机、舰艇，不仅用于观测目标距离，更多的是成为火力控制系统的一部分，大大提高火炮的首发命中率。后者用于激光半主动制导，成为精确制导武器的“眼睛”。例如1991年海湾战争中，多国部队的飞机大量使用了激光制导的航弹，高精度地摧毁厂伊拉克的许多重要军事目标。

　　进入90年代，随着固体激光器性能的改进，不仅在原有的四个应用领域的竞争力明显增强，而且开辟了一些新的重要应用领域。

　　首先是二极管泵浦的固体激光器进入了信息传输领域。随着有线电视（CATV）等活动图像信息传输的迅速增长，作为发射源的半导体激光器已满足不了大功率和低失真的要求，转而部分采用大功率（几十毫瓦至一百多毫瓦）低噪声的二极管泵浦的Nd：YAG激光器，其波长为1． 31微米，被传输的信号则用宽带妮酸狸调制器进行外调制加上去。

　　其次是二极管泵浦的固体激光器进入分色、制版等印刷行业，开始在这新领域中占有一席之地。

　　再次是随着环境监测的重要性日益提高，基于固体激光器的测风雷达、测污雷达等传感器有明显的增长。高峰值功率固体激光器可用于产生调光激光。近年来这方面的工作也有重大进展。用固体激光激励产生的调光激光将逐渐广泛地应用于微细加工等领域。