3分钟了解固体激光器 _固体激光器

1960年《纽约时报》首先披露，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。
【3分钟了解固体激光器】
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。

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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，因此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。
当然任何事物都有两面性，这类固体激光器也难免会有缺点：
首先它是三能级的构造，因此它所需要构建的阈值较大；其次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。

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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。

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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。