1960年《紐約時(shí)報(bào)》首先披露，梅曼成功制成了世界上第一臺(tái)紅寶石激光器，他以閃光燈的光線照射進(jìn)一根手指頭大小的特殊紅寶石晶體，創(chuàng)造出了相干脈沖激光光束，這一成果讓世界為之震驚。世界第一臺(tái)激光器就是從這臺(tái)固體激光器開始的。
什么是固體激光器
固體激光器中，由抽運(yùn)系統(tǒng)輻射的光能，經(jīng)過聚焦腔，使在固體物質(zhì)中工作的激活粒子能夠有效的吸收光能，讓工作物質(zhì)中形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，通過諧振腔，從而輸出激光。
固體激光器的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示（部分結(jié)構(gòu)未畫出）。固體激光器主要由工作物質(zhì)、抽運(yùn)系統(tǒng)、聚光系統(tǒng)、光學(xué)諧振腔和冷卻系統(tǒng)等五個(gè)部分組成。
圖1 固體激光器原理圖
工作物質(zhì)是激光器的核心，是由激活粒子（均為金屬）和基質(zhì)兩部分組成，激活粒子的能級(jí)結(jié)構(gòu)決定了激光的光譜特性和熒光壽命等激光特性，基質(zhì)主要決定了工作物質(zhì)的物化性質(zhì)。
抽運(yùn)源為工作物質(zhì)中上下能級(jí)間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)提供能量。抽運(yùn)光源需要滿足兩個(gè)條件：有很高的發(fā)光效率和輻射光的光譜特性應(yīng)與工作物質(zhì)的吸收光譜相匹配。
聚光腔的作用有兩個(gè)：一個(gè)是將抽運(yùn)源與工作物質(zhì)有效的耦合；另一個(gè)是決定物質(zhì)上抽運(yùn)光密度的分布，影響到輸出光束的均勻性、發(fā)散度和光學(xué)畸變。工作物質(zhì)和抽運(yùn)源都安裝在聚光腔內(nèi)，因此聚光腔的優(yōu)劣直接影響抽運(yùn)的效率及工作性能。
光學(xué)諧振腔是由全反射鏡和部分反射鏡組成，是固體激光器的重要組成部分。光學(xué)諧振腔除了提供光學(xué)正反饋維持激光持續(xù)振蕩以形成受激發(fā)射，還對(duì)振蕩光束的方向和頻率進(jìn)行限制，以保證輸出激光的單色性和定向性。
冷卻和濾光系統(tǒng)是固體激光器不可或缺的輔助裝置。由于激光器在工作時(shí)發(fā)熱明顯，冷卻系統(tǒng)主要是對(duì)工作物質(zhì)、抽運(yùn)系統(tǒng)和聚光腔進(jìn)行冷卻，起到保護(hù)激光器的作用。而濾光系統(tǒng)起到將部分抽運(yùn)光和其他干擾光過濾掉的作用，保證輸出激光的單色性。
常用的幾種固體激光器
隨著固體激光器技術(shù)多年的成長積累，現(xiàn)在固體激光器的類型更是多種多樣，不過使用頻率較高的還是紅寶石、摻釹釔鋁石榴石、二極管抽運(yùn)固體激光器以及可調(diào)諧固體激光器等這幾類。
紅寶石激光器
紅寶石激光器的工作物質(zhì)是紅寶石晶體（Cr3+：Al2O3），其中Cr3+是發(fā)光的激活粒子，它屬于三能級(jí)系統(tǒng)，決定著輸出激光的光譜特性；而Al2O3是基質(zhì)晶體。這類固體激光器具有如下的優(yōu)點(diǎn)：
1 激光器機(jī)械硬度大、穩(wěn)定性較好，能夠接受功率密度較大的激光，而且生產(chǎn)的光的尺寸也較大；
2 上能級(jí)壽命長，能夠有大能量的激光發(fā)射；
3 激光頻譜較大，能夠輕易的獲得高能量的單模；
4 它的性能穩(wěn)定，可以輸出波長為400~760nm的光。
當(dāng)然任何事物都有兩面性，這類固體激光器也難免會(huì)有缺點(diǎn)：
首先它是三能級(jí)的構(gòu)造，因此它所需要構(gòu)建的閾值較大；其次紅寶石的特性目標(biāo)對(duì)于溫度非常的敏感；然后，對(duì)于它的激發(fā)頻率比較低，這就導(dǎo)致了它能夠長時(shí)間的工作；發(fā)散角輸出通常在三到十毫弧這個(gè)范圍內(nèi)，稍微偏大。
圖2 紅寶石激光器
紅寶石激光器是世界上第一臺(tái)制成的激光器，也是世界上最早應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域的激光器，利用其波長特性廣泛應(yīng)用在各種色素性疾?。灰部梢杂瞄L脈沖模式用于永久性去除體毛；還可以利用調(diào)Q模式用于治療藍(lán)、黑和綠色文身以及各種良性色素性病變。在醫(yī)療領(lǐng)域還被應(yīng)用在眼科，用于視網(wǎng)膜的焊接，治療青光眼，虹膜的切除等。早在1962年，一臺(tái)紅寶石激光器將病人脫落的視網(wǎng)膜與眼球重新連接，使他恢復(fù)了視力。
圖3 紅寶石激光器用于治療視網(wǎng)膜脫落
除了在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用，紅寶石激光器也是很早就應(yīng)用于軍事以及全息成像等領(lǐng)域。1961年一臺(tái)成為柯利達(dá)1號(hào)的紅寶石激光測距機(jī)在美國誕生后，1962年第一臺(tái)軍用激光測距機(jī)便成功地進(jìn)行了示范表演。
摻釹釔鋁石榴石激光器
摻釹釔鋁石榴石激光器（Nd3+：YAG）是四能級(jí)系統(tǒng)的激光器，它的工作效率較高，上能級(jí)壽命長以及工作的閾值較低，輸出的波長較低，所以能夠長時(shí)間的進(jìn)行工作。
摻釹釔鋁石榴石激光器的主要優(yōu)點(diǎn)是為產(chǎn)生激光振蕩所必需的光泵激勵(lì)閾值較低，器件的能量轉(zhuǎn)換效率較高，可在室溫條件下進(jìn)行較長期的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)或較高重復(fù)率脈沖式運(yùn)轉(zhuǎn)；
其不足之處是輸出激光為人眼看不見的近紅外光，因此在許多應(yīng)用場合下需采用倍頻(二次諧波)技術(shù)將1064 nm激光轉(zhuǎn)換為532 nm的綠色激光；此外，工作晶體受人工生長技術(shù)的限制不容易做得很大，且晶體本身抗激光破壞的能力不很強(qiáng)，因此不適于用來產(chǎn)生較高功率和較大能量的脈沖輸出。
這種激光器主要應(yīng)用于激光測量、激光加工、激光治療、激光抽運(yùn)、非線性光學(xué)以及實(shí)驗(yàn)室基本研究等方面。
圖4 摻釹釔鋁石榴石激光器（用于醫(yī)療美容）
可調(diào)諧固體激光器
很長一段時(shí)間限制固體激光器應(yīng)用的主要問題是效率低和缺少頻率多樣性，隨著材料工藝的發(fā)展，這兩個(gè)問題都得以有效解決，可調(diào)諧激光器隨之誕生，其中鈦寶石激光器是重要產(chǎn)品之一。
自1982年林肯實(shí)驗(yàn)室首次演示鈦寶石激光器以來，人們花了很長一段時(shí)間對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的研究，使得鈦寶石激光器的應(yīng)用逐漸走向成熟，這類激光器可以在近紅外進(jìn)行調(diào)諧，具有較寬的調(diào)諧范圍。由于能級(jí)結(jié)構(gòu)簡單，不呈現(xiàn)受激態(tài)吸收的優(yōu)點(diǎn)，鈦寶石激光器得到了廣泛的應(yīng)用。
目前Thorlabs公司已經(jīng)推出調(diào)諧范圍在720nm~1060nm波段的鈦藍(lán)寶石飛秒激光器，主要應(yīng)用于雙光子顯微鏡系統(tǒng)。
該激光器調(diào)諧速度做到了高達(dá)4000nm/s的行業(yè)領(lǐng)先水平，在800nm處的輸出功率高于2.3W，同時(shí)在較寬的調(diào)諧范圍內(nèi)提供140fs相對(duì)較窄的脈沖，可以減少由普克爾盒和其他元件引起的脈沖展寬。此外，由于其結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，使得其在實(shí)驗(yàn)室中的應(yīng)用更為方便。
圖5 Thorlabs鈦寶石可調(diào)諧激光器
二極管抽運(yùn)激光器
二極管抽運(yùn)的固體激光器誕生于1963年，它不同于以往的以閃光燈作為抽運(yùn)源的固體激光器，它的抽運(yùn)源是LD，被稱為全固態(tài)激光器，這主要是因?yàn)樗脑骷际恰肮虘B(tài)”的。
它的優(yōu)點(diǎn)比較明顯：具有很強(qiáng)的光轉(zhuǎn)換率、功率大、穩(wěn)定性好、安全可靠、使用時(shí)間長以及體積小等。
圖6 二極管抽運(yùn)激光器
目前有關(guān)全固態(tài)激光器的研究，美國、德國以及日本走在世界前列，這些國家已經(jīng)在大力發(fā)展全固態(tài)紫外激光器，尤其是在中大功率全固態(tài)紫外激光器的開發(fā)應(yīng)用。全固態(tài)紫外激光器在激光微加工、激光精密加工方面有著廣泛的應(yīng)用。據(jù)報(bào)道：德國通快公司已經(jīng)推出碟片結(jié)構(gòu)的400W紫外激光器、2kW綠光激光器等。
總體來說，國外有關(guān)全固態(tài)固體紫外激光器技術(shù)以及應(yīng)用設(shè)備已趨向成熟，但是價(jià)格相對(duì)昂貴。國內(nèi)的全固態(tài)激光器的研究方向大致為：輸出功率為微、小、中型的器件沿著多樣化、智能化、產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展，大功率器件將向高平均功率、高光束質(zhì)量發(fā)展。
固體激光器未來的技術(shù)趨勢(shì)
山西大學(xué)張寬收教授曾在中國激光雜志社和光電匯舉辦的“激光器發(fā)明60周年”線上系列活動(dòng)提到，全固態(tài)激光器的未來是超高、超快、超短與超穩(wěn)。大體可以解釋為以下幾個(gè)方面：
進(jìn)一步提高激光器的平均功率和效率，若將整體效率提高10%~15%，則激光加工等工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)其與CO2激光器的競爭力；
在激光器高功率輸出時(shí)，保證激光器的模式穩(wěn)定，提高激光器在自由運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的頻率穩(wěn)定性；
系列化的工程產(chǎn)品研究，將激光器做得成本低、可靠性高、輕巧便攜、使用方便等；
隨著人們對(duì)高精度、高靈敏度光學(xué)測量的關(guān)注，需要提高光學(xué)測量的精度和靈敏度，這時(shí)激光器就需要做到可以很好的抑制額外噪聲，最好在分析頻譜范圍內(nèi)達(dá)到散粒噪聲基準(zhǔn)。
封面來源：www.delmarphotonics.com
文中圖片來源：各企業(yè)官網(wǎng)及百度圖片
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