固體激光器是以摻雜離子的絕緣晶體或玻璃作為工作物質(zhì)的激光器。在激光發(fā)展史上,固體激光器是最早實(shí)現(xiàn)激光工作的。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)激光振蕩的固體工作物質(zhì)有百余種,激光譜線有數(shù)千條,但是最常采用的固體工作物質(zhì)仍然是紅寶石、釹玻璃、摻釹釔鋁石榴石(Nd3+:YAG)等三種。
與其它種類的激光器相比較,固體激光器的特點(diǎn)是:輸出能量大(可達(dá)數(shù)萬焦耳),峰值功率高(連續(xù)功率可達(dá)數(shù)千瓦,脈沖峰值功率可達(dá)千兆瓦、幾十兆兆瓦),結(jié)構(gòu)緊湊牢固耐用。因此它在工業(yè)、國防、醫(yī)療、科研等方面得到了廣泛的應(yīng)用,例如打孔、焊接、劃片、微調(diào)、激光測(cè)距、雷達(dá)、制導(dǎo)、激光視網(wǎng)膜凝結(jié)、全息照相、激光存儲(chǔ)、大容量通信等。隨著激光器性能的不斷提高,固體激光器的應(yīng)用范圍還在繼續(xù)擴(kuò)大。
1.1 固體激光器的基本結(jié)構(gòu)與工作物質(zhì)
固體激光器基本上都是由工作物質(zhì)、泵浦系統(tǒng)、諧振腔和冷卻、濾光系統(tǒng)構(gòu)成的。圖(5—1)是長脈沖固體激光器的基本結(jié)構(gòu)示意圖(冷卻、濾光系統(tǒng)未畫出)。
固體激光工作物質(zhì)是固體激光器的核心。影響固體激光器工作特性的關(guān)鍵是固體激光工作物質(zhì)的物理和光譜性質(zhì),這主要是指吸收帶,熒光譜線,熱導(dǎo)率等。目前研究過的固體工作物質(zhì)很多,用它們制作了各種各樣的固體激光器,但是最廣泛使用的是紅寶石激光器、摻釹釔鋁石榴石(YAG)激光器和釹玻璃激光器三種。后兩種產(chǎn)生激光的機(jī)制是類似的,而紅寶石和YAG激光器 從產(chǎn)生激光的機(jī)制來講,分別屬于三能級(jí)和四能級(jí)系統(tǒng),有一定的代表性,所以下面只介紹紅寶石和YAG激光工作物質(zhì)。
圖(1#p#分頁標(biāo)題#e#) 固體激光器的基本結(jié)構(gòu)示意圖
1.紅寶石(Cr3+:A12O3)
紅寶石是在三氧化二鋁(A12O3)中摻入少量的氧化鉻(Cr2O3)生長成的晶體。它的吸收光譜特性主要取決于鉻離子(Cr3+),如圖(5—2)所示。由圖可見,紅寶石中的鉻離子有兩個(gè)強(qiáng)吸收帶:峰值位于0.4l?m處的紫外帶(U帶)和峰值位于0.55?m處的黃綠帶(Y帶)。由于紅寶石晶體的各向異性,它的吸收特性與光的偏振狀態(tài)有關(guān),所以對(duì)于光場(chǎng)的振動(dòng)方向與晶體光軸c垂直和平行的兩種分量,吸收曲線略有差別。紅寶石中的鉻離子與激光產(chǎn)生有關(guān)的能級(jí)結(jié)構(gòu)如圖(5—3)所示。它屬于三能級(jí)系統(tǒng),相應(yīng)于圖(5—3)的簡化能級(jí)模型,其激發(fā)態(tài)E3為4F1和4F2能級(jí),激光上、下能級(jí)E2和E1分別為2E和#p#分頁標(biāo)題#e#4A2。它的熒光譜線有兩條:R1線和R2線,在室溫下對(duì)應(yīng)的中心波長分別為0.6943?m和0.6929?m。由于R1線的輻射強(qiáng)度比R2大,在振蕩過程中總占優(yōu)勢(shì),所以通常紅寶石激光器產(chǎn)生的激光譜線均為R1線(0.6943?m)。
圖(2) 紅寶石中鉻離子的吸收光譜
紅寶石激光器的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度高,容易生長大尺寸晶體,容易獲得大能量的單模輸出,輸出的紅顏色激光不但可見,而且適于常用硅探測(cè)器探測(cè)。紅寶石激光器的主要缺點(diǎn)是閾值高和溫度效應(yīng)非常嚴(yán)重。隨著溫度的升高,激光波長將向長波長方向移動(dòng),熒光譜線變寬,熒光量子效率下降,導(dǎo)致閾值升高,嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起“溫度猝滅”。因此,在室溫情況下,紅寶石激光器不適于連續(xù)和高重復(fù)率工作,但在低溫下,可以連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。
圖(3) 紅寶石中鉻離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)
2.摻釹釔鋁石榴石(Nd3+:YAG)
這種工作物質(zhì)是將一定比例的A12O3、Y2O3,和Nd2O3在單晶爐中進(jìn)行熔化,并結(jié)晶而成的,呈淡紫色。它的激活粒子是釹離子#p#分頁標(biāo)題#e#(Nd3+),其吸收光譜如圖(5—4)所示,在紫外、可見光和紅外區(qū)內(nèi)有幾個(gè)強(qiáng)吸收帶。
圖(4) Nd3+:YAG晶體的吸收光譜(300K)
YAG中Nd3+與激光產(chǎn)生有關(guān)的能級(jí)結(jié)構(gòu)如圖(5—5)所示。它屬于四能級(jí)系統(tǒng)。其激光上能級(jí)E3為4F3/2,激光下能級(jí)E2為4I13/2、4I11/2,其熒光譜線波長為1.35?m、1.06?m,4I9/2相應(yīng)于基態(tài)E1。由于1.06?m比1.35?m波長的熒光強(qiáng)約4倍,所以在激光振蕩中,將只產(chǎn)生1.06?m的激光。
圖(5) Nd3+:YAG的能級(jí)結(jié)構(gòu)
Nd3+:YAG激光器的突出優(yōu)點(diǎn)是閾值低和具有優(yōu)良的熱學(xué)性質(zhì),這就使得它適于連續(xù)和高重復(fù)率工作。YAG是目前能在室溫下連續(xù)工作的唯一實(shí)用的固體工作物質(zhì),在中小功率脈沖器件中,特別是在高重復(fù)率的脈沖器件中,目前應(yīng)用Nd3+:YAG的量,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其它固體工作物質(zhì)??梢哉f,Nd3+:YAG從出現(xiàn)至今,大量使用,長盛不衰。
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