常用固体激光器

2005/1/7/15:51    每一种固体激光器的核心在于增益介质。它对激光器的工作参数，如波长、功率、Q开关、锁模和光束质量都有重大的影响。例如，可以作为含钕（Nd）激光器工作介质的晶体大约有100种，但目前使用的含钕激光器，掺钕钇铝石榴石（Nd-dopedY3Al5O12，Nd∶YAG）仍为首选材料。而其他大多数材料并不实用。



　　Nd∶YAG晶体可生长出光学质量高的增益截面，并具有抗热断裂等特性。但另一方面，Nd∶YAG的热透镜效应在许多激光系统中往往是有问题的。Nd∶YLF（LiYF4）是含钕激光器的另一种可供选择的工作介质，Nd∶YLF的热透镜效应较Nd∶YAG小。另外一种掺钕的激光晶体是在20年前就开始研制的Nd∶YVO4。这种晶体的特殊性能是具有非常高的增益截面和低的阈值，但只能生长出尺寸相当小的晶体。时隔20年之后，激光二极管成为更加引人注目的产品，而Nd∶YVO4这样小的晶体在二极管泵浦中找到了用场。



　　除了含钕激光器之外，还有其他许多基于13种稀土离子和6种跃迁金属离子的激光器，覆盖了170～7 000 nm的波长范围。而在几百种已知的激光晶体中，通常大约只有几十种被使用。



　　1.可调谐近红外固体激光器　1988年，Petricevic等发现4价铬（Cr）可掺合到4配价的Mg2SiO4四方晶格中（Cr∶Mg2SiO4），称之为镁橄榄石。镁橄榄石通常被Nd∶YAG激光器泵浦，并且可调谐在1,130～1,367 nm之间，以锁模方式输出几瓦的功率。Cr∶YAG也是被动Q开关含钕激光器的良好介质。



　　Cr∶LiSAF在1988年由Livemore实验室研制成功，主要用于超短脉冲的产生和放大，具有从780nm到990nm可调谐的优点，并有较好的热力学性质。它为材料处理、组织消融、化学和生物过程的快速研究提供了重要的手段。Cr∶LiSAF也可通过腔内倍频蓝光输出和Q开关用于遥感水蒸汽的检测。



　　2.可调谐紫外Ce3+激光器　Ce∶LiSAF由于其离特有性质，基本的激光物理性质类似于染料激光器。它可被侧面泵浦和端面泵浦，波长在280～320nm之间，可调谐平均功率>100mW。



　　3.可调谐中红外Cr2+激光器　在室温条件下，可调谐中红外固体激光器的发射，由于工作波长较长和频带较宽，导致了非辐射延迟的增加（将泵浦光转变为热，而不是激光辐射）。Cr2+∶ZnSe激光器首先获得了室温下的可调谐中红外激光发射，并未受到非辐射延迟的不利影响。这种材料的吸收和发射光谱显示可用1 800 nm二极管泵浦提供2, 200～3, 000nm之间的可调谐发射波长。



　　4.镱（Yb）激光器　由于Yb∶YAG晶体具有非常低的热载荷（大约是Nd∶YAG晶体的1/3），用943nm的InGaAs二极管端面泵浦就可得到大于150W的功率。另外掺镱的氟磷酸锶Sr5（PO4）3F（Yb∶S-FAP）用900nm的激光二极管泵浦可以产生1,047nm激光，输出功率50W，Q开关能量47mJ，27ns脉冲。



　　5.掺钛蓝宝石激光器　掺钛蓝宝石激光器是以TiAl2O3晶体为激光介质的激光器（简称Ti∶S激光器），具有调谐范围宽（670～1 200 nm）、输出功率大、转换效率高、运转方式多样等特点。通过氩离子激光器、铜蒸汽激光器或YAG激光器泵浦均可获得连续输出功率达几十瓦、转换效率达40%的输出。主动锁模（如棱镜式声光调制器〕可获得超短脉冲近100 fs，被动锁模（如采用DDI与HITCI染料做可饱和吸收体）已得到50～100fs的脉宽结果。在连续钛宝石激光谐振腔中加1对或2对色散棱镜即可实现锁模运转，获得飞秒量级的光脉冲。近年来特别是啁啾放大技术的发展，钛宝石激光器已获得峰值功率达1013W的结果。