陶瓷材料、摻雜過渡金屬的Ⅱ-Ⅵ族材料以及光泵浦半導體(ti) 激光器，正在將固體(ti) 激光器的工作範圍向新的波長和更高的功率擴展。

盡管固體(ti) 激光器的泵浦源和諧振腔設計已隨著時間的推移不斷發展變化，但是其工作物質的發展卻相對緩慢。固態物理學是一門複雜的學科，對於(yu) 商業(ye) 應用來講，改進和優(you) 化現有的激光材料（如玻璃、YAG和YLF），早已比研發新型激光材料具有更低的成本，而且也更容易實現。

然而，隨著近幾十年來基礎研究的發展，人們(men) 對激光材料有了更好的理解，上述情況正在發生改變。新型固體(ti) 激光器正在跨越實用化的門檻，其中包括光泵浦而非電驅動的半導體(ti) 激光器。目前，以三種新型材料為(wei) 增益介質的新一代固體(ti) 激光器日益引起了人們(men) 的關(guan) 注：陶瓷激光器、摻雜過渡金屬的Ⅱ-Ⅵ族晶體(ti) （如硒化鋅）激光器和光泵浦半導體(ti) 激光器（OPSL)。

陶瓷激光器

陶瓷是多晶材料，由許多小的、方向隨機的小顆粒熔化而成。日常生活中常見的陶瓷是不透明或半透明的，這是因為(wei) 它們(men) 內(nei) 部存在很多對光產(chan) 生散射的瑕疵。但是如果能夠小心謹慎地將這些顆粒熔化在一起，並保持足夠清潔，消除大部分散射瑕疵，這樣製備出的陶瓷的透明度便足以滿足很多光學應用的需求。

陶瓷激光材料的測試研究始於(yu) 20世紀60年代，但此後陶瓷激光材料並沒有得到人們(men) 的足夠關(guan) 注。直到1995年，日本名古屋World Lab的Akio Ikesue報道了一種Nd：YAG陶瓷激光器，其性能完全可以與(yu) 單晶激光器的性能相媲美。這在業(ye) 界掀起了陶瓷激光器研究的熱潮。[1]

陶瓷具有很多優(you) 點，與(yu) 采用傳(chuan) 統熔體(ti) 凝固方法生長的單晶材料相比，陶瓷能夠製備成更大的尺寸。陶瓷材料中能夠摻雜更高濃度的激光離子，製備成光纖形式，並能夠製造單晶材料生長無法實現的內(nei) 部結構。研究人員希望當技術完全成熟後，陶瓷生產(chan) 能夠比傳(chuan) 統晶體(ti) 生長更便宜。此外，研究人員還希望通過一種稱為(wei) 固態晶體(ti) 生長的處理過程，將一些微晶陶瓷與(yu) 種子晶體(ti) 相接觸進行燒結，將它們(men) 轉變成單晶。

研究人員已經對Nd：YAG陶瓷進行了大量研究工作。研究發現，與(yu) 傳(chuan) 統的單晶YAG相比，多晶YAG陶瓷具有更好的熱光和光機械性能。陶瓷Nd：YAG似乎有望輸出更高的功率。美國勞倫(lun) 斯•利弗莫爾國家實驗室研製的固體(ti) 熱容激光器，其采用Nd：YAG 陶瓷放大器，產(chan) 生的平均功率達到了創紀錄的67kW（見圖1）。[2] 2008年9月，美國國家研究委員會(hui) 發表的一份報告指出，陶瓷平板激光器是近期可用作對抗火箭、大炮和迫擊炮武器的固體(ti) 激光器。[3]

圖1：勞倫(lun) 斯•利弗莫爾國家實驗室研製的固體(ti) 熱容激光器，采用陶瓷平板放大器，產(chan) 生的平均功率達到67kW

一些利用傳(chuan) 統單晶生長技術不能生長的材料，也可以製成陶瓷，特別是“三氧化二物”，如Lu2O3、Sc2O3和Y2O3。它們(men) 能夠摻雜稀土激光離子，並且熔點高於(yu) 2400℃。Ikesue在2008年12月《Nature Photonics》上發表的綜述文章中介紹說，三氧化二物陶瓷所具有的高熱導率和寬帶寬，使其有望用在高功率和超短脈衝(chong) 激光器中。[4]最近的研究表明，摻鐿Lu2O3陶瓷的光泵浦斜率效率已經達到86％。[5]

Ikesue認為(wei) ，陶瓷激光器技術仍在發展，但它們(men) 已經獲得了“傳(chuan) 統單晶技術無法實現的激旋光性能”。

摻雜過渡金屬的Ⅱ-Ⅵ族中紅外激光器

20世紀90年代中期，業(ye) 界首次展式了摻雜過渡金屬（如鉻、鐵）的寬禁帶Ⅱ-Ⅵ硫族化合物中紅外激光器。[6]美國阿拉巴馬大學伯明翰分校的研究人員在最近發表的一篇綜述文章中指出，這些材料的光譜和激旋光性能“與(yu) 鈦寶石在中紅外波段的性能非常類似”，這使它們(men) 對激光器的發展頗具吸引力。[7]

早期的工作集中在硒化鋅（ZnSe）上，這是由於(yu) 硒化鋅研究比較成熟、成本低廉並且在寬波長範圍內(nei) 都具有透明性。該類材料中研究最多的是Cr2+：ZnSe，能夠采用二極管泵浦，輸出波長範圍1.9～3.1µm。在該波長範圍內(nei) ，大部分器件可以實現連續運轉，並且光學轉換率能超過60％。阿拉巴馬大學的研究小組與(yu) Photonics Innovations和空軍(jun) 研究實驗室合作，通過優(you) 化材料質量，采用薄板增益介質改善熱性能，最近獲得了13W的連續輸出，這個(ge) 輸出功率值受到了泵浦功率和熱管理的限製。

ZnS的屬性也非常具有吸引力。與(yu) ZnSe相比，ZnS具有更高的熱導率和更好的抗光學損失性能，但是ZnS的過渡金屬摻雜技術還不太成熟。阿拉巴馬大學的研究人員Sergey Mirov：“我們(men) 相信ZnS具有美好的未來”。他的研究小組已經在摻鉻ZnS上獲得了成功，利用非選擇性諧振腔獲得了超過10W的輸出功率，並在1.95～2.85µm的範圍內(nei) 獲得了超過7W的調諧輸出。另一種有希望的材料是摻鐵ZnSe。Fe2+：ZnSe已實現了室溫下的激光輸出，量子級聯激光器是目前在3.7～5.1µm範圍內(nei) 最佳的可調諧激光器，Mirov對室溫下Fe2+：ZnSe在該波長範圍內(nei) 獲得更寬的調諧性表示樂(le) 觀。

Mirov認為(wei) 功率水平還能進一步提高。“我們(men) 正在考慮獲得幾百瓦、甚至更高的功率輸出”。他也在期待新的應用，例如利用摻鉻硫化物激光器可調諧的優(you) 點，將其工作波長調諧到或調諧出強的水吸收帶，從(cong) 而使激光外科手術刀能夠改變進入組織的滲透深度。

光泵浦半導體(ti) 激光器

摻雜的Ⅱ-Ⅵ族化合物可能最終能夠采用電泵浦，但是對始於(yu) 20世紀90年代的其他OPSL，電泵浦卻不是必要的。[8]這類裝置也被稱作VECSEL（垂直外腔麵發射激光器），該名稱突出了其與(yu) VCSEL的密切關(guan) 係。

研究人員為(wei) 了改進電激發垂直腔麵發射激光器的功率限製，利用複雜的外部結構控製電流。光泵浦半導體(ti) 激光器保留了布拉格反射器作為(wei) VCSEL的後腔鏡，以及通過激活區的量子阱發射激光（見圖2）。然而，激光發射不是通過二極管結處的載流子複合，而是通過泵浦二極管照射盤片表麵進行泵浦。OPSL采用外腔，即輸出鏡與(yu) 半導體(ti) 分離，這樣就留下了空間以放置諧波發生器等腔內(nei) 光學組件。

圖2：一個(ge) 二級管激光泵浦源（圖中未畫出）照射附著於(yu) 熱沉的半導體(ti) 盤片，泵浦激活區的量子阱（插圖）。光泵浦半導體(ti) 激光器在外腔中產(chan) 生振蕩，諧振腔內(nei) 可以加入諧波發生器等腔內(nei) 光學組件。後腔鏡是位於(yu) OPSL背麵的布拉格反射鏡。

與(yu) 電複合相比，光泵浦能夠激發更寬的區域，產(chan) 生更大的發射麵積，從(cong) 而提供更好的光束質量和更高的功率。而且，其另一個(ge) 最大的優(you) 點是能夠對增益介質進行設計，以獲得所需的吸收帶和發射波長。

相幹公司將該技術商品化，並在去年憑借輸出3W的577nm黃光OPSL獲得了PhAST/Laser Focus World創新獎，該波長與(yu) 氧絡血紅蛋白的吸收峰相匹配。產(chan) 生該精確波長能夠將激光能量集中在糖尿病、視網膜病和濕性黃斑變性所影響的視網膜組織中，這是一個(ge) 重要的醫學進展。577nm激光是通過對輸出波長為(wei) 1154 nm的OPSL光束倍頻產(chan) 生的。

由於(yu) 光泵浦設計靈活強大，因而已被用於(yu) 許多各種不同的III-V族半導體(ti) ，基頻輸出從(cong) 紅光的640nm到紅外的2.3µm。基頻功率可達幾十瓦，二次諧波功率可達約20W（見圖3）。這類激光器結構簡單緊湊，並且能夠設計成激光波長滿足特定應用的要求，包括臨(lin) 床治療，並能替代體(ti) 積更大、成本高昂的488nm氬激光器。#p#分頁標題#e#

圖3：光泵浦半導體(ti) 激光器產(chan) 生的波長和功率

研究人員表示該領域正在迅速發展。三次和四次諧波產(chan) 生正在將輸出波長向更深的紫外波段推進，這在小型光刻係統中具有潛在應用價(jia) 值。研究人員正在研究基頻輸出在1.9～2.8µm的光源，目前已實現了980nm二極管泵浦的砷銻化镓銦（GaInAsSb）單片的2.3 µm波長輸出，[9]其應用前景包括人眼安全波長的傳(chuan) 感和自由空間通訊。

展望

固體(ti) 激光器的傳(chuan) 統激活離子，如釹和鐿遠未到被淘汰的時候。可靠的性能和成熟的技術使它們(men) 能夠占據一定的位置。但是隨著陶瓷激光器的發展，它們(men) 可能以不斷增加的形式出現，並實現更高功率。

參考文獻：
1. Z. Liu et al., IEEE Phot. Tech. Lett. 18(12) (2006).
2. C. Gmachl et al., Nature 415, p. 883 (2002).
3. S. Howard et al., IEEE Sel. Top. Quant. Elect. 13(5) p. 1054 (2007).
4. Y. Bai et al., Appl. Phys. Lett. 92, p. 101105-1 (2008).
5. G. Wysocki et al., Appl. Phys. B 92, p.305 (2008).
6. T. Day et al.,“Miniaturized external-cavity quantum-cascade lasers for broad tunability in the mid-infrared,”CLEO and 2006 QELS (May 2006).
7. R. Maulini et al., Appl. Phys. Lett. 88, p. 201113, 2006.
8. www.daylightsolutions.com.
9. T. Risby and S. Solga, Appl. Phys. B 85, p. 421 (2006).
10. MIRTHE (mid-InfraRed Technologies for the Health and Environment), an NSF Engineering Research Center headquartered at Princeton University (www.mirthecenter.org).