什么是固体激光器（Solid-State Lasers）？

固态激光器是一种激光器，其发光介质是掺杂稀土或过渡金属离子的固体材料，通常是晶体或玻璃，而不是液体或气体。固态激光器的概念最早是在 20 世纪 60 年代提出的。1960 年，西奥多-H-迈曼（Theodore H. Maiman）向世界展示了第一台激光器，它是用红宝石晶体作为产生激光的特殊材料制成的。它们发射的激光波长范围很广，从紫外线（UV）到红外线（IR）不等，具体取决于掺杂剂的选择以及晶体或玻璃的成分。输出功率可从毫瓦（mW）到几瓦（W），甚至更高，具体取决于特定的激光设计、增益介质和泵浦机制。


固体激光器主要由两部分组成：固体主材料和掺杂在主材料中的活性离子。活性离子需要具备特定的特性，如锐利的荧光线、宽广的吸收带以及在所需波长下的高量子效率。另一方面，宿主材料应具有强度、抗断裂性、高导热性和光学质量等特性。

在掺入稀土离子后，玻璃和晶体材料都表现出了这些所需的特性。合适的主材料包括硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃和各种晶体材料，如石榴石、铝酸盐、金属氧化物、氟化物、钼酸盐、钨酸盐等。常用的活性离子包括钕、铒、钬等稀土离子，以及铬、钛、镍等过渡金属。

一些著名的固体激光器包括红宝石激光器、Nd:YAG 激光器、Nd:玻璃激光器、Nd:Cr:GSGG 激光器、Er:玻璃激光器、紫翠玉激光器和钛:蓝宝石激光器等。

固体激光器的工作方式可以是连续波（CW），即产生连续的激光输出；也可以是脉冲，即产生高功率激光的短时脉冲。

固体激光器的构造

 

要制造固体激光器，需要将激光棒安装在弧光灯或闪光灯附近。灯管与电源相连。激光棒和灯管平行排列，周围有一个反射器。在激光腔的两端，放置了一个高反射镜和一个输出耦合器。为了消除多余的热量，激光器使用循环系统进行冷却，通常使用冷却水或乙二醇混合物。

固体激光器能量图

固体激光器使用的有源介质是固体材料。通常，所有固态材料都采用光泵浦方式，即使用光源作为能量源，将其施加到增益介质上。吸收泵浦能量后，增益介质中的电子被激发到更高的能级。在激发态中，一些电子会从较高的能级跃迁到特定的可迁移能级。

与其他激发态相比，逸散态的寿命更长，因此可以储存和积累能量。当处于可变态的电子转变回基态时，会释放出具有特定能量和波长的光子。这一过程被称为受激发射，并产生相干光。

产生的光子在激光腔内的反射镜或其他反射元件之间进行多次反射。这种反馈机制会放大受激发射，产生一束强烈的激光。放大后的部分光束通过其中一个部分反射镜逸出，形成激光输出。

输出光束通常具有较窄的线宽，其特点是特定波长与瞬态和基态之间的能量差相关。

固体激光器的优点

与气体激光器相比，固态激光器通常不会出现材料损耗，因为激光介质处于固态。固态激光器中的有源介质（如晶体或玻璃）可保持其成分，在运行过程中不会消耗或耗尽。
固体激光器既能产生连续输出，也能产生脉冲输出。
它们的构造相对简单。
固体激光器的缺点

固体激光器将输入能量转换为激光输出的效率较低。
激光束的发散度并不恒定，可在 1 毫弧度和 20 毫弧度之间变化。
当激光棒过度加热时，可能会出现功率损耗。

固体激光器的应用

固体激光器在各个领域都有广泛的应用。除了光谱学和电信之外，固体激光器的应用还包括

材料加工： 固体激光器广泛用于切割、钻孔、焊接和雕刻各种材料，如金属、塑料、陶瓷和复合材料。它们精度高，可处理宏观和微观加工任务。
医疗和生物医学：这些激光器可应用于激光手术、皮肤科（如去纹身）、眼科（如视力矫正）、牙科和美容等医疗程序。它们可以精确地瞄准并消融组织，而对周围区域的损伤却很小。
科学研究： 科学研究的重要工具，包括光谱学、荧光成像、粒子加速和超快现象研究。它们能够提供精确可控的光源，用于研究材料和基本物理化学过程。
国防与安全： 这些激光器用于国防和安全应用，包括激光目标指示器、测距、定向能武器和激光反制。它们为军事、航空航天和安全用途提供精确而强大的光源。
电信： 固体激光器在光纤通信系统中发挥着至关重要的作用，可用作光放大器和光源，以高数据速率远距离传输信号。