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用固體激光材料作為工作物質的激光器(見激光)。1960年,T.H.梅曼發明的紅寶石激光器就是固體激光器,也是世界上第一台激光器。固體激光器一般由激光工作物質、激勵源、聚光腔、諧振腔反射鏡和電源等部分構成。

1簡介

solid-state laser
用固體激光材料作為工作物質的激光器(見激光)。1960年,T.H.梅曼發明的紅寶石激光器就是固體激光器,也是世界上第一台激光器。固體激光器一般由激光工作物質、激勵源、聚光腔、諧振腔反射鏡和電源等部分構成。
這類激光器所採用的固體工作物質,是把具有能產生受激發射作用的金屬離子摻入晶體而製成的。在固體中能產生受激發射作用的金屬離子主要有三類:⑴過渡
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金屬離子(如Cr3+);⑵大多數鑭系金屬離子(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,因而易於產生粒子數反轉和受激發射。用作晶體類基質的人工晶體主要有: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
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lO3)、鈹酸鑭(La2Be2O5)等。用作玻璃類基質的主要是優質硅酸鹽光學玻璃,例如常用的鋇冕玻璃和鈣冕玻璃。與晶體基質相比,玻璃基質的主要特點是製備方便和易於獲得大尺寸優質材料。對於晶體和玻璃基質的主要要求是:易於摻入起激活作用的發光金屬離子;具有良好的光譜特性、光學透射率特性和高度的光學(折射率)均勻性;具有適於長期激光運轉的物理和化學特性(如熱學特性、抗劣化特性、化學穩定性等)。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。

2工作物質

固體激光器的工作物質,由光學透明的晶體或玻璃作為
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基質材料,摻以激活離子或其他激活物質構成。這種工作物質一般應具有良好的物理-化學性質、窄的熒光譜線、強而寬的吸收帶和高的熒光量子效率。
玻璃激光工作物質容易製成均勻的大尺寸材料,可用於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,不適於高平均功率下工作。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,研製成功折射率溫度係數為負值的釹玻璃,可用於高重複頻率的中、小能量激光器。
晶體激光工作物質一般具有良好的熱性能和機械性能,窄的熒光譜線,但獲得優質大尺寸材料的晶體生長技術複雜。
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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現了激光振蕩。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1.053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
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一個化學組分,因而激活離子濃度高,不致產生熒光猝滅。這種晶體的激光增益高,抽遠閾值低。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,可用於小型固體激光器。
已研製成的還有多種具有寬頻熒光特性的可調諧激光晶體,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,用準分子激光器激勵,室溫工作)和鹼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)。

3激勵源

固體激光器以光為激勵源。常用的脈衝激勵源有充氙閃光燈;連續激勵源有氪弧燈、碘鎢燈、鉀銣燈等。在小型長壽命激光器中,可用半導體發光二極體或太陽光作激勵源。一些新的固體激光器也有採用激光激勵的。
固體激光器由於光源的發射光譜中只有一部分為工作物質所吸收,加上其他損耗,因而能量轉換效率不高,一般在千分之幾到百分之幾之間。

4特性

固體激光器可作大能量和高功率相干光源。紅寶石脈衝
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激光器的輸出能量可達千焦耳級。經調Q和多級放大的釹玻璃激光系統的最高脈衝功率達10瓦。釔鋁石榴石連續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開關技術(電光調製),
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可以得到納秒至百納秒級的短脈衝,採用鎖模技術可得到皮秒至百皮秒量級的超短脈衝。
由於工作物質的光學不均勻性等原因,一般固體激光器的輸出為多模。若選用光學均勻性好的工作物質和採取精心設計諧振腔等技術措施,可得到光束髮散角接近衍射極限的基橫模(TEM00)激光,還可獲得單縱模激光。

5應用趨勢

固體激光器在軍事、加工、醫療和科學研究領域有廣泛
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的用途。它常用於測距、跟蹤、制導、打孔、切割和焊接、半導體材料退火、電子器件微加工、大氣檢測、光譜研究、外科和眼科手術、等離子體診斷、脈衝全息照相以及激光核聚變等方面。固體激光器還用作可調諧染料激光器的激勵源。
固體激光器的發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諧的新工作物質,提高激光器的轉換效率,增大輸出功率,改善光束質量,壓縮脈衝寬度,提高可靠性和延長工作壽命等。

6分類

1.可調諧近紅外固體激光器 1988年,Petricev等發現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,並且可調諧在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開關含釹激光器的良好介質。
Cr∶LiSA F1988年由Livemor實驗室研製成功,主要用於超短脈衝的發生和放大,具有從780nm990nm可調諧的優點,並有較好的熱力學性質。為材料處理、組織消融、化學和生物過程的快速研究提供了重要的手段。Cr∶LiSA F也可通過腔內倍頻藍光輸出和Q開關用於遙感水蒸汽的檢測。
2.可調諧紫外Ce3+激光器 Ce∶LiSA F由於其離特有性質,基本的激光物理性質類似於染料激光器。可被側面泵浦和端面泵浦,波長在280320nm之間,可調諧平均功率>100mW
3.可調諧中紅外Cr2+激光器 室溫條件下,可調諧中紅外固體激光器的發射,由於工作波長較長和頻帶較寬,導致了非輻射延遲的增加(將泵浦光轉變為熱,而不是激光輻射)Cr2+∶ZnSe激光器首先獲得了室溫下的可調諧中紅外激光發射,並未受到非輻射延遲的晦氣影響。這種資料的吸收和發射光譜顯示可用1800nm二極體泵浦提供2,2003,000nm之間的可調諧發射波長。
4.鐿(Yb激光器 由於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 二極體端面泵浦就可得到大於150W功率。另外摻鐿的氟磷酸鍶Sr5PO43FYb∶S-FA P用900nm激光二極體泵浦可以產生1,047nm激光,輸出功率50WQ開關能量47mJ27n脈衝。
5.摻鈦藍寶石激光器 摻鈦藍寶石激光器是以TiA l2O3晶體為激光介質的激光器(簡稱Ti∶S激光器)具有調諧範圍寬(6701200nm輸出功率大、轉換效率高、運轉方式多樣等特點。

7參考書目

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