固體激光器是什么？

在激光器中，一個(gè)可以造成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的激光工作物質(zhì)是它的核心。工作物質(zhì)是晶體，或者玻璃的激光器，分別稱為晶體激光器和玻璃激光器，通常又把這兩類(lèi)激光器統(tǒng)稱為固體激光器。發(fā)展最早的紅寶石激光器，廣泛地應(yīng)用在測(cè)距儀和材料加工上的石榴石激光器，以及在激光核聚變研究中首屈一指的釹玻璃激光器，它們是固體激光器的代表。

紅寶石是一種人工制備的晶體。紅寶石的主要成分是氧化鋁。純凈的氧化鋁晶體稱作剛玉，是無(wú)色透明的，其中摻了少量氧化鉻（約萬(wàn)分之幾）就成了紅寶石。激光由鉻離子產(chǎn)生，剛玉則給了鉻離子一個(gè)有利于產(chǎn)生激光的微觀環(huán)境。通常把鉻離子叫做激活離子，剛玉叫做基質(zhì)。所有的固體激光材料都是由激活離子摻雜在基質(zhì)材料中組成的，例如釹玻璃的激活離子是釹離子，基質(zhì)是無(wú)色透明的光學(xué)玻璃。

我們?cè)谇懊嬉呀?jīng)提到，用氙燈的閃光照射紅寶石，可以獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。固體激光器差不多全用光泵激發(fā)。氙燈大多制成直管狀的，和工作物質(zhì)并排放置。為了把氙燈的閃光盡可能多地會(huì)聚到紅寶石棒中去，需要一個(gè)聚光器。聚光器的形狀決定了固體激光器的外貌。廣泛采用的是圓柱形聚光器，它結(jié)構(gòu)緊湊、加工方便、聚光效率也較高。此外，也有球形、橢球形、橢圓柱形等聚光器，它們的聚光效率更高，但加工比較復(fù)雜。

早期的激光打孔機(jī)、視網(wǎng)膜焊接機(jī)、激光測(cè)距儀等裝置中，紅寶石激光器用得較多。一九七七年，日本完成了一臺(tái)大型紅寶石裝置，峰值功率達(dá)100億瓦，脈沖寬度為一毫微秒用于激光等離子的研究。石榴石激光器和釹玻璃激光器的結(jié)構(gòu)與紅寶石激光器基本相同。紅寶石激光器輸出的是波長(zhǎng)為6943埃的紅光，而石榴石激光器和釹玻璃激光器輸出的是紅外線，波長(zhǎng)為1.06微米。 激光器產(chǎn)生激光所需要的最低輸入能量稱為閾值。閾值當(dāng)然越低越好。閾值的大小與工作物質(zhì)的品種和質(zhì)量有很大關(guān)系，與紅寶石相比，摻釹的石榴石具有閾值低，光放大系數(shù)大的優(yōu)點(diǎn)，輸出同樣大小的激光能量，石榴石激光器可以制作得小巧、輕便。所以，軍用的激光測(cè)距儀和制導(dǎo)用激光照明器都采用石榴石激光器，而很少去用紅寶石激光器了。石榴石激光器是唯一能在常溫下連續(xù)工作，并且有較大功率的固體激光器。石榴石激光器的連續(xù)輸出功率已超過(guò)一千瓦，工作的壽命主要受到光泵燈的限制，目前燈的壽命已超過(guò)一千小時(shí)。石榴石激光器還可以高重復(fù)頻率方式運(yùn)轉(zhuǎn)，重復(fù)率可高達(dá)每秒幾千次，每次輸出功率在幾千瓦以上。這兩種工作方式的激光器適合材料加工的要求。目前，除了特殊需要紅寶石的激光波長(zhǎng)之外，許多應(yīng)用產(chǎn)品中，都已用石榴石激光器代替了紅寶石激光器。

紅寶石和石榴石由于晶體生長(zhǎng)工藝的限制，沒(méi)有辦法做成大塊的優(yōu)質(zhì)材料。激光玻璃的特點(diǎn)是容易制成尺寸大而又均勻的優(yōu)質(zhì)材料，而且成本也比晶體便宜。因此，釹玻璃適宜于研制高功率大型脈沖激光器，主要用在激光核聚變的研究中。 自從有了激光器以來(lái)，對(duì)于激光晶體和激光玻璃的研究一直是很受重視的。近年來(lái)的重點(diǎn)是探索高效率的、室溫下能連續(xù)工作的晶體激光材料，比較有成效的有五磷酸釹和磷酸鋰釹，激光玻璃的研究重點(diǎn)是克服非線性效應(yīng)和強(qiáng)激光的損傷。