簡介

    固體激光器用固體激光材料作為工作物質(zhì)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(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：(1)過渡金屬離子（如Cr3+）；(2)大多數(shù)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(zhì)中的金屬離子的主要特點(diǎn)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（YAlO3）、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(diǎn)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(yùn)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。

        工作物質(zhì)

　　固體激光器的工作物質(zhì)，由光學(xué)透明的晶體或玻璃作為基質(zhì)材料，摻以激活離子或其他激活物質(zhì)構(gòu)成。這種工作物質(zhì)一般應(yīng)具有良好的物理－化學(xué)性質(zhì)、窄的熒光譜線、強(qiáng)而寬的吸收帶和高的熒光量子效率。

　　玻璃激光工作物質(zhì)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(shù)為負(fù)值的釹玻璃，可用于高重復(fù)頻率的中、小能量激光器。

    晶體激光工作物質(zhì)一般具有良好的熱性能和機(jī)械性能，窄的熒光譜線，但獲得優(yōu)質(zhì)大尺寸材料的晶體生長技術(shù)復(fù)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(shí)現(xiàn)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(xué)組分,因而激活離子濃度高,不致產(chǎn)生熒光猝滅。這種晶體的激光增益高，抽遠(yuǎn)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(diào)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(zhǔn)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(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。

   特征

　　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(dá)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(dá)10瓦。釔鋁石榴石連續(xù)激光器的輸出功率達(dá)百瓦級，多級串接可達(dá)千瓦。

　　固體激光器運(yùn)用Q開關(guān)技術(shù)（見光調(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(jì)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。

    應(yīng)用趨勢

　　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。