固體激光器是以摻雜離子的絕緣晶體或玻璃作為工作物質(zhì)的激光器。在激光發(fā)展史上，固體激光器是最早實(shí)現(xiàn)激光工作的。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)激光振蕩的固體工作物質(zhì)有百余種，激光譜線有數(shù)千條，但是最常采用的固體工作物質(zhì)仍然是紅寶石、釹玻璃、摻釹釔鋁石榴石(Nd3＋：YAG)等三種。

與其它種類(lèi)的激光器相比較，固體激光器的特點(diǎn)是：輸出能量大(可達(dá)數(shù)萬(wàn)焦耳)，峰值功率高(連續(xù)功率可達(dá)數(shù)千瓦，脈沖峰值功率可達(dá)千兆瓦、幾十兆兆瓦)，結(jié)構(gòu)緊湊牢固耐用。因此它在工業(yè)、國(guó)防、醫(yī)療、科研等方面得到了廣泛的應(yīng)用，例如打孔、焊接、劃片、微調(diào)、激光測(cè)距、雷達(dá)、制導(dǎo)、激光視網(wǎng)膜凝結(jié)、全息照相、激光存儲(chǔ)、大容量通信等。隨著激光器性能的不斷提高，固體激光器的應(yīng)用范圍還在繼續(xù)擴(kuò)大。

1.1 固體激光器的基本結(jié)構(gòu)與工作物質(zhì)

固體激光器基本上都是由工作物質(zhì)、泵浦系統(tǒng)、諧振腔和冷卻、濾光系統(tǒng)構(gòu)成的。圖(5—1)是長(zhǎng)脈沖固體激光器的基本結(jié)構(gòu)示意圖(冷卻、濾光系統(tǒng)未畫(huà)出)。

固體激光工作物質(zhì)是固體激光器的核心。影響固體激光器工作特性的關(guān)鍵是固體激光工作物質(zhì)的物理和光譜性質(zhì)，這主要是指吸收帶，熒光譜線，熱導(dǎo)率等。目前研究過(guò)的固體工作物質(zhì)很多，用它們制作了各種各樣的固體激光器，但是最廣泛使用的是紅寶石激光器、摻釹釔鋁石榴石（YAG）激光器和釹玻璃激光器三種。后兩種產(chǎn)生激光的機(jī)制是類(lèi)似的，而紅寶石和YAG激光器 從產(chǎn)生激光的機(jī)制來(lái)講，分別屬于三能級(jí)和四能級(jí)系統(tǒng)，有一定的代表性，所以下面只介紹紅寶石和YAG激光工作物質(zhì)。

圖（1#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#） 固體激光器的基本結(jié)構(gòu)示意圖

1．紅寶石(Cr3＋：A12O3)

紅寶石是在三氧化二鋁(A12O3)中摻入少量的氧化鉻(Cr2O3)生長(zhǎng)成的晶體。它的吸收光譜特性主要取決于鉻離子(Cr3＋)，如圖（5—2）所示。由圖可見(jiàn)，紅寶石中的鉻離子有兩個(gè)強(qiáng)吸收帶：峰值位于0.4l?m處的紫外帶(U帶)和峰值位于0.55?m處的黃綠帶(Y帶)。由于紅寶石晶體的各向異性，它的吸收特性與光的偏振狀態(tài)有關(guān)，所以對(duì)于光場(chǎng)的振動(dòng)方向與晶體光軸c垂直和平行的兩種分量，吸收曲線略有差別。紅寶石中的鉻離子與激光產(chǎn)生有關(guān)的能級(jí)結(jié)構(gòu)如圖（5—3）所示。它屬于三能級(jí)系統(tǒng)，相應(yīng)于圖（5—3）的簡(jiǎn)化能級(jí)模型，其激發(fā)態(tài)E3為4F1和4F2能級(jí)，激光上、下能級(jí)E2和E1分別為2E和#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#4A2。它的熒光譜線有兩條：R1線和R2線，在室溫下對(duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)分別為0.6943?m和0.6929?m。由于R1線的輻射強(qiáng)度比R2大，在振蕩過(guò)程中總占優(yōu)勢(shì)，所以通常紅寶石激光器產(chǎn)生的激光譜線均為R1線(0.6943?m)。

圖(2) 紅寶石中鉻離子的吸收光譜

紅寶石激光器的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度高，容易生長(zhǎng)大尺寸晶體，容易獲得大能量的單模輸出，輸出的紅顏色激光不但可見(jiàn)，而且適于常用硅探測(cè)器探測(cè)。紅寶石激光器的主要缺點(diǎn)是閾值高和溫度效應(yīng)非常嚴(yán)重。隨著溫度的升高，激光波長(zhǎng)將向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)，熒光譜線變寬，熒光量子效率下降，導(dǎo)致閾值升高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起“溫度猝滅”。因此，在室溫情況下，紅寶石激光器不適于連續(xù)和高重復(fù)率工作，但在低溫下，可以連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖（3）  紅寶石中鉻離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)

2．摻釹釔鋁石榴石(Nd3＋：YAG)

這種工作物質(zhì)是將一定比例的A12O3、Y2O3，和Nd2O3在單晶爐中進(jìn)行熔化，并結(jié)晶而成的，呈淡紫色。它的激活粒子是釹離子#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#(Nd3＋)，其吸收光譜如圖（5—4）所示，在紫外、可見(jiàn)光和紅外區(qū)內(nèi)有幾個(gè)強(qiáng)吸收帶。

圖（4） Nd3＋：YAG晶體的吸收光譜(300K)

YAG中Nd3＋與激光產(chǎn)生有關(guān)的能級(jí)結(jié)構(gòu)如圖（5—5）所示。它屬于四能級(jí)系統(tǒng)。其激光上能級(jí)E3為4F3/2，激光下能級(jí)E2為4I13/2、4I11/2，其熒光譜線波長(zhǎng)為1.35?m、1.06?m，4I9/2相應(yīng)于基態(tài)E1。由于1.06?m比1.35?m波長(zhǎng)的熒光強(qiáng)約4倍，所以在激光振蕩中，將只產(chǎn)生1.06?m的激光。

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圖（5） Nd3＋：YAG的能級(jí)結(jié)構(gòu)

Nd3＋：YAG激光器的突出優(yōu)點(diǎn)是閾值低和具有優(yōu)良的熱學(xué)性質(zhì)，這就使得它適于連續(xù)和高重復(fù)率工作。YAG是目前能在室溫下連續(xù)工作的唯一實(shí)用的固體工作物質(zhì)，在中小功率脈沖器件中，特別是在高重復(fù)率的脈沖器件中，目前應(yīng)用Nd3＋：YAG的量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其它固體工作物質(zhì)?？梢哉f(shuō)，Nd3＋：YAG從出現(xiàn)至今，大量使用，長(zhǎng)盛不衰。