固体激光器原理(​3分钟了解固体激光器)

1960年《纽约时报》披露，梅曼成功制成了世界上第一台红宝石激光器，他以闪光灯的光线照射进一根手指头大小的特殊红宝石晶体，创造出了相干脉冲激光光束，这一成果让世界为之震惊。世界第一台激光器就是从这台固体激光器开始的。

什么是固体激光器

固体激光器中，由抽运系统辐射的光能，经过聚焦腔，使在固体物质中工作的激活粒子能够有效的吸收光能，让工作物质中形成粒子数反转，通过谐振腔，从而输出激光。

固体激光器的基本结构如下图所示（部分结构未画出）。固体激光器主要由工作物质、抽运系统、聚光系统、光学谐振腔和冷却系统等五个部分组成。

图1 固体激光器原理图

工作物质是激光器的核心，是由激活粒子（均为金属）和基质两部分组成，激活粒子的能级结构决定了激光的光谱特性和荧光寿命等激光特性，基质主要决定了工作物质的物化性质。

抽运源为工作物质中上下能级间的粒子数反转提供能量。抽运光源需要满足两个条件有很高的发光效率和辐射光的光谱特性应与工作物质的吸收光谱相匹配。

聚光腔的作用有两个一个是将抽运源与工作物质有效的耦合；另一个是决定物质上抽运光密度的分布，影响到输出光束的均匀性、发散度和光学畸变。工作物质和抽运源都安装在聚光腔内，聚光腔的优劣直接影响抽运的效率及工作性能。

光学谐振腔是由全反射镜和部分反射镜组成，是固体激光器的重要组成部分。光学谐振腔除了提供光学正反馈维持激光持续振荡以形成受激发射，还对振荡光束的方向和频率进行限制，以保证输出激光的单色性和定向性。

冷却和滤光系统是固体激光器不可或缺的辅助装置。由于激光器在工作时发热明显，冷却系统主要是对工作物质、抽运系统和聚光腔进行冷却，起到保护激光器的作用。而滤光系统起到将部分抽运光和其他干扰光过滤掉的作用，保证输出激光的单色性。

常用的几种固体激光器

随着固体激光器技术多年的成长积累，现在固体激光器的类型更是多种多样，不过使用频率较高的还是红宝石、掺钕钇铝石榴石、二极管抽运固体激光器以及可调谐固体激光器等这几类。

红宝石激光器

红宝石激光器的工作物质是红宝石晶体（Cr3 Al2O3），其中Cr3 是发光的激活粒子，它属于三能级系统，决定着输出激光的光谱特性；而Al2O3是基质晶体。这类固体激光器具有如下的优点

1 激光器机械硬度大、稳定性较好，能够接受功率密度较大的激光，而且生产的光的尺寸也较大；

2 上能级寿命长，能够有大能量的激光发射；

3 激光频谱较大，能够轻易的获得高能量的单模；

4 它的性能稳定，可以输出波长为400~760nm的光。

任何事物都有两面性，这类固体激光器也难免会有缺点

它是三能级的构造，它所需要构建的阈值较大；红宝石的特性目标对于温度非常的敏感；然后，对于它的激发频率比较低，这就导致了它能够长时间的工作；发散角输出通常在三到十毫弧这个范围内，稍微偏大。

图2 红宝石激光器

红宝石激光器是世界上第一台制成的激光器，也是世界上最早应用于医疗领域的激光器，利用其波长特性广泛应用在各种色素性疾病；也可以用长脉冲模式用于永久性去除体毛；还可以利用调Q模式用于治疗蓝、黑和绿色文身以及各种良性色素性病变。在医疗领域还被应用在眼科，用于视网膜的焊接，治疗青光眼，虹膜的切除等。早在1962年，一台红宝石激光器将病人脱落的视网膜与眼球重新连接，使他恢复了视力。

图3 红宝石激光器用于治疗视网膜脱落

除了在医疗领域的应用，红宝石激光器也是很早就应用于军事以及全息成像等领域。1961年一台成为柯利达1号的红宝石激光测距机在美国诞生后，1962年第一台军用激光测距机便成功地进行了示范表演。

掺钕钇铝石榴石激光器

掺钕钇铝石榴石激光器（Nd3 YAG）是四能级系统的激光器，它的工作效率较高，上能级寿命长以及工作的阈值较低，输出的波长较低，所以能够长时间的进行工作。

掺钕钇铝石榴石激光器的主要优点是为产生激光振荡所必需的光泵激励阈值较低，器件的能量转换效率较高，可在室温条件下进行较长期的连续运转或较高重复率脉冲式运转；

其不足之处是输出激光为人眼看不见的近红外光，在许多应用场合下需采用倍频(二次谐波)技术将1064 nm激光转换为532 nm的绿色激光；，工作晶体受人工生长技术的限制不容易做得很大，且晶体本身抗激光破坏的能力不很强，不适于用来产生较高功率和较大能量的脉冲输出。

这种激光器主要应用于激光测量、激光加工、激光治疗、激光抽运、非线性光学以及实验室基本研究等方面。

图4 掺钕钇铝石榴石激光器（用于医疗美容）

可调谐固体激光器

很长一段时间限制固体激光器应用的主要问题是效率低和缺少频率多样性，随着材料工艺的发展，这两个问题都得以有效解决，可调谐激光器随之诞生，其中钛宝石激光器是重要产品之一。

自1982年林肯实验室演示钛宝石激光器以来，人们花了很长一段时间对其进行详细的研究，使得钛宝石激光器的应用逐渐走向成熟，这类激光器可以在近红外进行调谐，具有较宽的调谐范围。由于能级结构简单，不呈现受激态吸收的优点，钛宝石激光器得到了广泛的应用。

目前Thorlabs公司已经推出调谐范围在720nm~1060nm波段的钛蓝宝石飞秒激光器，主要应用于双光子显微镜系统。

该激光器调谐速度做到了高达4000nm/s的行业领先水平，在800nm处的输出功率高于2.3W，在较宽的调谐范围内提供140fs相对较窄的脉冲，可以减少由普克尔盒和其他元件引起的脉冲展宽。，由于其结构紧凑的特点，使得其在实验室中的应用更为方便。

图5 Thorlabs钛宝石可调谐激光器

二极管抽运激光器

二极管抽运的固体激光器诞生于1963年，它不同于以往的以闪光灯作为抽运源的固体激光器，它的抽运源是LD，被称为全固态激光器，这主要是因为它的元器件都是“固态”的。

它的优点比较明显具有很强的光转换率、功率大、稳定性好、安全可靠、使用时间长以及体积小等。

图6 二极管抽运激光器

目前有关全固态激光器的研究，美国、德国以及日本走在世界前列，这些国家已经在大力发展全固态紫外激光器，尤其是在中大功率全固态紫外激光器的开发应用。全固态紫外激光器在激光微加工、激光精密加工方面有着广泛的应用。据报道德国通快公司已经推出碟片结构的400W紫外激光器、2kW绿光激光器等。

总体来说，国外有关全固态固体紫外激光器技术以及应用设备已趋向成熟，价格相对昂贵。国内的全固态激光器的研究方向大致为输出功率为微、小、中型的器件沿着多样化、智能化、产业化方向发展，大功率器件将向高平均功率、高光束质量发展。

固体激光器未来的技术趋势

山西大学张宽收教授曾在中国激光杂志社和光电汇举办的“激光器发明60周年”线上系列活动提到，全固态激光器的未来是超高、超快、超短与超稳。大体可以解释为以下几个方面

• 进一步提高激光器的平均功率和效率，若将整体效率提高10%~15%，则激光加工等工业应用领域会进一步增强其与CO2激光器的竞争力；
• 在激光器高功率输出时，保证激光器的模式稳定，提高激光器在自由运转时的频率稳定性；

• 系列化的工程产品研究，将激光器做得成本低、可靠性高、轻巧便携、使用方便等；

• 随着人们对高精度、高灵敏度光学测量的关注，需要提高光学测量的精度和灵敏度，这时激光器就需要做到可以很好的抑制额外噪声，最好在分析频谱范围内达到散粒噪声基准。

封面来源delmarphotonics

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