固體(ti) 激光器是以摻雜離子的絕緣晶體(ti) 或玻璃作為(wei) 工作物質的激光器。在激光發展史上，固體(ti) 激光器是最早實現激光工作的。目前已經實現激光振蕩的固體(ti) 工作物質有百餘(yu) 種，激光譜線有數千條，但是最常采用的固體(ti) 工作物質仍然是紅寶石、釹玻璃、摻釹釔鋁石榴石(Nd3＋：YAG)等三種。

與(yu) 其它種類的激光器相比較，固體(ti) 激光器的特點是：輸出能量大(可達數萬(wan) 焦耳)，峰值功率高(連續功率可達數千瓦，脈衝(chong) 峰值功率可達千兆瓦、幾十兆兆瓦)，結構緊湊牢固耐用。因此它在工業(ye) 、國防、醫療、科研等方麵得到了廣泛的應用，例如打孔、焊接、劃片、微調、激光測距、雷達、製導、激光視網膜凝結、全息照相、激光存儲(chu) 、大容量通信等。隨著激光器性能的不斷提高，固體(ti) 激光器的應用範圍還在繼續擴大。

1.1 固體(ti) 激光器的基本結構與(yu) 工作物質

固體(ti) 激光器基本上都是由工作物質、泵浦係統、諧振腔和冷卻、濾光係統構成的。圖(5—1)是長脈衝(chong) 固體(ti) 激光器的基本結構示意圖(冷卻、濾光係統未畫出)。

固體(ti) 激光工作物質是固體(ti) 激光器的核心。影響固體(ti) 激光器工作特性的關(guan) 鍵是固體(ti) 激光工作物質的物理和光譜性質，這主要是指吸收帶，熒光譜線，熱導率等。目前研究過的固體(ti) 工作物質很多，用它們(men) 製作了各種各樣的固體(ti) 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。後兩(liang) 種產(chan) 生激光的機製是類似的，而紅寶石和YAG激光器 從(cong) 產(chan) 生激光的機製來講，分別屬於(yu) 三能級和四能級係統，有一定的代表性，所以下麵隻介紹紅寶石和YAG激光工作物質。

圖（1#p#分頁標題#e#） 固體(ti) 激光器的基本結構示意圖

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(ti) 。它的吸收光譜特性主要取決(jue) 於(yu) 鉻離子(Cr3＋)，如圖（5—2）所示。由圖可見，紅寶石中的鉻離子有兩(liang) 個(ge) 強吸收帶：峰值位於(yu) 0.4lm處的紫外帶(U帶)和峰值位於(yu) 0.55m處的黃綠帶(Y帶)。由於(yu) 紅寶石晶體(ti) 的各向異性，它的吸收特性與(yu) 光的偏振狀態有關(guan) ，所以對於(yu) 光場的振動方向與(yu) 晶體(ti) 光軸c垂直和平行的兩(liang) 種分量，吸收曲線略有差別。紅寶石中的鉻離子與(yu) 激光產(chan) 生有關(guan) 的能級結構如圖（5—3）所示。它屬於(yu) 三能級係統，相應於(yu) 圖（5—3）的簡化能級模型，其激發態E3為(wei) 4F1和4F2能級，激光上、下能級E2和E1分別為(wei) 2E和#p#分頁標題#e#4A2。它的熒光譜線有兩(liang) 條：R1線和R2線，在室溫下對應的中心波長分別為(wei) 0.6943m和0.6929m。由於(yu) R1線的輻射強度比R2大，在振蕩過程中總占優(you) 勢，所以通常紅寶石激光器產(chan) 生的激光譜線均為(wei) 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(you) 點是機械強度高，容易生長大尺寸晶體(ti) ，容易獲得大能量的單模輸出，輸出的紅顏色激光不但可見，而且適於(yu) 常用矽探測器探測。紅寶石激光器的主要缺點是閾值高和溫度效應非常嚴(yan) 重。隨著溫度的升高，激光波長將向長波長方向移動，熒光譜線變寬，熒光量子效率下降，導致閾值升高，嚴(yan) 重時會(hui) 引起“溫度猝滅”。因此，在室溫情況下，紅寶石激光器不適於(yu) 連續和高重複率工作，但在低溫下，可以連續運轉。

圖（3）  紅寶石中鉻離子的能級結構

2．摻釹釔鋁石榴石(Nd3＋：YAG)

這種工作物質是將一定比例的A12O3、Y2O3，和Nd2O3在單晶爐中進行熔化，並結晶而成的，呈淡紫色。它的激活粒子是釹離子#p#分頁標題#e#(Nd3＋)，其吸收光譜如圖（5—4）所示，在紫外、可見光和紅外區內(nei) 有幾個(ge) 強吸收帶。

圖（4） Nd3＋：YAG晶體(ti) 的吸收光譜(300K)

YAG中Nd3＋與(yu) 激光產(chan) 生有關(guan) 的能級結構如圖（5—5）所示。它屬於(yu) 四能級係統。其激光上能級E3為(wei) 4F3/2，激光下能級E2為(wei) 4I13/2、4I11/2，其熒光譜線波長為(wei) 1.35m、1.06m，4I9/2相應於(yu) 基態E1。由於(yu) 1.06m比1.35m波長的熒光強約4倍，所以在激光振蕩中，將隻產(chan) 生1.06m的激光。

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圖（5） Nd3＋：YAG的能級結構

Nd3＋：YAG激光器的突出優(you) 點是閾值低和具有優(you) 良的熱學性質，這就使得它適於(yu) 連續和高重複率工作。YAG是目前能在室溫下連續工作的唯一實用的固體(ti) 工作物質，在中小功率脈衝(chong) 器件中，特別是在高重複率的脈衝(chong) 器件中，目前應用Nd3＋：YAG的量，遠遠超過其它固體(ti) 工作物質。可以說，Nd3＋：YAG從(cong) 出現至今，大量使用，長盛不衰。