固体激光器

       固体激光器具有体积小、使用方便、输出功率大的特点。固体激光器一般连续功率在100瓦以上，脉冲峰值功率可高达109 W。但由于工作介质的制备较复杂，所以价格较贵。

简介

       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。固体激光器一般由激光工作物质、激励源、聚光腔、谐振腔反射镜和电源等部分构成。 

       这类激光器所采用的固体工作物质，是把具有能产生受激发射作用的金属离子掺入晶体而制成的。在固体中能产生受激发射作用的金属离子主要有三类：⑴过渡金属离子（如Cr3+）；⑵大多数镧系金属离子（如Nd3+、Sm2+、Dy2+等）；⑶锕系金属离子（如U3+）。这些掺杂到固体基质中的金属离子的主要特点是：具有比较宽的有效吸收光谱带，比较高的荧光效率，比较长的荧光寿命和比较窄的荧光谱线，因而易于产生粒子数反转和受激发射。用作晶体类基质的人工晶体主要有：刚玉（NaAlSi2O6）、钇铝石榴石（Y3Al5，O12）、钨酸钙（CaWO4）、氟化钙（CaF2）等，以及铝酸钇（YAlO3）、铍酸镧（La2Be2O5）等。用作玻璃类基质的主要是优质硅酸盐光学玻璃，例如常用的钡冕玻璃和钙冕玻璃。与晶体基质相比，玻璃基质的主要特点是制备方便和易于获得大尺寸优质材料。对于晶体和玻璃基质的主要要求是：易于掺入起激活作用的发光金属离子；具有良好的光谱特性、光学透射率特性和高度的光学（折射率）均匀性；具有适于长期激光运转的物理和化学特性（如热学特性、抗劣化特性、化学稳定性等）。晶体激光器以红宝石（Al2O3：Cr3+）和掺钕钇铝石榴石（简写为YAG：Nd3+）为典型代表。玻璃激光器则是以钕玻璃激光器为典型代表。

特性

       固体激光器可作大能量和高功率相干光源。红宝石脉冲激光器的输出能量可达千焦耳级。经调Q和多级放大的钕玻璃激光系统的最高脉冲功率达10瓦。钇铝石榴石连续激光器的输出功率达百瓦级，多级串接可达千瓦。

       固体激光器运用Q开关技术（电光调制），可以得到纳秒至百纳秒级的短脉冲，采用锁模技术可得到皮秒至百皮秒量级的超短脉冲。

       由于工作物质的光学不均匀性等原因，一般固体激光器的输出为多模。若选用光学均匀性好的工作物质和采取精心设计谐振腔等技术措施，可得到光束发散角接近衍射极限的基横模（TEM00）激光，还可获得单纵模激光。

工作物质

       固体激光器的工作物质，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。这种工作物质一般应具有良好的物理－化学性质、窄的荧光谱线、强而宽的吸收带和高的荧光量子效率。

       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。常见的钕玻璃有硅酸盐、磷酸盐和氟磷酸盐玻璃。80年代初期，研制成功折射率温度系数为负值的钕玻璃，可用于高重复频率的中、小能量激光器。

       晶体激光工作物质一般具有良好的热性能和机械性能，窄的荧光谱线，但获得优质大尺寸材料的晶体生长技术复杂。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。常用的激光晶体有红宝石（Cr:Al2O3，波长6943埃）、掺钕钇铝石榴石（Nd:Y3Al5O12，简称Nd:YAG，波长1.064微米）、氟化钇锂（LiYF4，简称YLF;Nd:YLF，波长1.047或1.053微米;Ho:Er:Tm:YLF，波长2.06微米）等。

       1973年以来又有一类自激活激光晶体。它的激活离子是晶体的一个化学组分，因而激活离子浓度高，不致产生荧光猝灭。这种晶体的激光增益高，抽远阈值低。主要品种有五磷酸钕（NdP5O14）、四磷酸锂钕（NdLiP4O12）和硼酸铝钕【NdAl3（BO4）3】等。它们多用熔盐法生长，晶体尺寸小，可用于小型固体激光器。

       已研制成的还有多种具有宽带荧光特性的可调谐激光晶体，如终端声子跃迁的金绿宝石（Cr:BeAl2O4，波长0.701～0.815微米，室温工作）、掺镍氟化镁（Ni:MgF2，波长1.6～1.8微米，低温工作）、5d→4f跃迁的掺铈氟化钇锂（Ce:YLF，波长0.306～0.315微米，用准分子激光器激励，室温工作）和碱卤化物的色心激光晶体（不掺杂或掺杂的氯化钾、氟化锂等，波长0.8～3.9微米，大多在低温下工作）。

和气体激光器区别

       固体激光器和气体激光器是两种不同类型的激光器，它们在工作原理、结构、性能特点及应用领域上存在显著差异。以下从多个维度详细比较两者的区别：

1. 工作物质与增益介质

       固体激光器

       增益介质：采用固体材料（如晶体、玻璃或陶瓷）作为工作物质，典型材料包括红宝石（Cr³⁺:Al₂O₃）、钇铝石榴石（Nd:YAG）、钕玻璃等。

       激活离子：通过掺杂稀土离子（如Nd³⁺、Er³⁺、Tm³⁺）或过渡金属离子（如Cr³⁺）实现激光发射。

       气体激光器

       增益介质：使用气体（如CO₂、He-Ne、Ar⁺、准分子气体）作为工作物质。

       激活粒子：气体分子、原子或离子通过电离、激发等过程产生激光辐射。

2. 泵浦方式

       固体激光器

       泵浦源：通常采用光泵浦（如闪光灯、激光二极管LD），通过高能光子激发激活离子至高能级。

       能量存储：激活离子寿命较长，可实现高能量密度存储。

       气体激光器

       泵浦方式：气体放电泵浦（如直流放电、射频放电、微波放电），通过电场加速电子与气体分子碰撞实现激发。

       能量存储：气体分子激发态寿命较短，需持续泵浦维持粒子数反转。

3. 输出特性

       固体激光器

       波长范围：覆盖可见光到近红外（如Nd:YAG 1.06μm，Er:YAG 2.94μm）。

       输出功率：可实现高功率（kW级）或高能量（脉冲激光），但热效应显著（需冷却）。

       光束质量：受热透镜效应影响，需通过特殊设计（如板条激光器）改善。

       气体激光器

       波长范围：涵盖紫外到远红外（如He-Ne 632.8nm，CO₂ 10.6μm）。

       输出功率：连续输出功率高（如CO₂激光器可达数十kW），但脉冲能量较低。

       光束质量：光束发散角小，单色性和相干性好，适合精密加工。

4. 结构与封装

       固体激光器

       结构：紧凑、坚固，由增益介质、泵浦源、谐振腔（如法布里-珀罗腔）组成。

       封装：通常为固态封装，便于集成到小型设备中。

       气体激光器

       结构：需气体放电管、电极、谐振腔（如驻波腔、行波腔），体积较大。

       封装：需气体循环系统（如CO₂激光器）或密封腔体（如He-Ne激光器），维护复杂。

5. 热管理与效率

       固体激光器

       热效应：泵浦能量大部分转化为热能，需水冷或微通道散热。

       效率：光-光转换效率较低（如Nd:YAG约20%），但可通过热管理优化。

       气体激光器

       热效应：气体放电产生的热量较低，热管理相对简单。

       效率：CO₂激光器电-光转换效率可达10%-20%，但需持续泵浦。

6. 应用领域

       固体激光器

       工业：激光切割、焊接、打标（如光纤激光器）。

       医疗：眼科手术（如Er:YAG激光）、肿瘤治疗。

       科研：高功率激光驱动、惯性约束聚变。

       气体激光器

       工业：CO₂激光器用于金属加工、3D打印。

       医疗：准分子激光器用于眼科屈光手术。

       科研：光谱分析、光化学研究。

7. 优缺点对比

总结

       固体激光器：适合高能量、紧凑型应用，如工业加工和医疗设备。

       气体激光器：适合高功率连续输出、精密加工和科研应用。

       两者互补，选择时需根据具体需求（如波长、功率、光束质量）进行权衡。