​3分鐘了解固體雷射器

1960年《紐約時報》首先披露，梅曼成功製成了世界上第一臺紅寶石雷射器，他以閃光燈的光線照射進一根手指頭大小的特殊紅寶石晶體，創造出了相干脈衝雷射光束，這一成果讓世界為之震驚。世界第一臺雷射器就是從這臺固體雷射器開始的。

什麼是固體雷射器

固體雷射器中，由抽運系統輻射的光能，經過聚焦腔，使在固體物質中工作的激活粒子能夠有效的吸收光能，讓工作物質中形成粒子數反轉，通過諧振腔，從而輸出雷射。

固體雷射器的基本結構如下圖所示（部分結構未畫出）。固體雷射器主要由工作物質、抽運系統、聚光系統、光學諧振腔和冷卻系統等五個部分組成。

圖1 固體雷射器原理圖

工作物質是雷射器的核心，是由激活粒子（均為金屬）和基質兩部分組成，激活粒子的能級結構決定了雷射的光譜特性和螢光壽命等雷射特性，基質主要決定了工作物質的物化性質。

抽運源為工作物質中上下能級間的粒子數反轉提供能量。抽運光源需要滿足兩個條件：有很高的發光效率和輻射光的光譜特性應與工作物質的吸收光譜相匹配。

聚光腔的作用有兩個：一個是將抽運源與工作物質有效的耦合；另一個是決定物質上抽運光密度的分布，影響到輸出光束的均勻性、發散度和光學畸變。工作物質和抽運源都安裝在聚光腔內，因此聚光腔的優劣直接影響抽運的效率及工作性能。

光學諧振腔是由全反射鏡和部分反射鏡組成，是固體雷射器的重要組成部分。光學諧振腔除了提供光學正反饋維持雷射持續振蕩以形成受激發射，還對振蕩光束的方向和頻率進行限制，以保證輸出雷射的單色性和定向性。

冷卻和濾光系統是固體雷射器不可或缺的輔助裝置。由於雷射器在工作時發熱明顯，冷卻系統主要是對工作物質、抽運系統和聚光腔進行冷卻，起到保護雷射器的作用。而濾光系統起到將部分抽運光和其他幹擾光過濾掉的作用，保證輸出雷射的單色性。

常用的幾種固體雷射器

隨著固體雷射器技術多年的成長積累，現在固體雷射器的類型更是多種多樣，不過使用頻率較高的還是紅寶石、摻釹釔鋁石榴石、二極體抽運固體雷射器以及可調諧固體雷射器等這幾類。

紅寶石雷射器

紅寶石雷射器的工作物質是紅寶石晶體（Cr3+：Al2O3），其中Cr3+是發光的激活粒子，它屬於三能級系統，決定著輸出雷射的光譜特性；而Al2O3是基質晶體。這類固體雷射器具有如下的優點：

1 雷射器機械硬度大、穩定性較好，能夠接受功率密度較大的雷射，而且生產的光的尺寸也較大；

2 上能級壽命長，能夠有大能量的雷射發射；

3 雷射頻譜較大，能夠輕易的獲得高能量的單模；

4 它的性能穩定，可以輸出波長為400~760nm的光。

當然任何事物都有兩面性，這類固體雷射器也難免會有缺點：

首先它是三能級的構造，因此它所需要構建的閾值較大；其次紅寶石的特性目標對於溫度非常的敏感；然後，對於它的激發頻率比較低，這就導致了它能夠長時間的工作；發散角輸出通常在三到十毫弧這個範圍內，稍微偏大。

圖2 紅寶石雷射器

紅寶石雷射器是世界上第一臺製成的雷射器，也是世界上最早應用於醫療領域的雷射器，利用其波長特性廣泛應用在各種色素性疾病；也可以用長脈衝模式用於永久性去除體毛；還可以利用調Q模式用於治療藍、黑和綠色文身以及各種良性色素性病變。在醫療領域還被應用在眼科，用於視網膜的焊接，治療青光眼，虹膜的切除等。早在1962年，一臺紅寶石雷射器將病人脫落的視網膜與眼球重新連接，使他恢復了視力。

圖3 紅寶石雷射器用於治療視網膜脫落

除了在醫療領域的應用，紅寶石雷射器也是很早就應用於軍事以及全息成像等領域。1961年一臺成為柯利達1號的紅寶石雷射測距機在美國誕生後，1962年第一臺軍用雷射測距機便成功地進行了示範表演。

摻釹釔鋁石榴石雷射器

摻釹釔鋁石榴石雷射器（Nd3+：YAG）是四能級系統的雷射器，它的工作效率較高，上能級壽命長以及工作的閾值較低，輸出的波長較低，所以能夠長時間的進行工作。

摻釹釔鋁石榴石雷射器的主要優點是為產生雷射振蕩所必需的光泵激勵閾值較低，器件的能量轉換效率較高，可在室溫條件下進行較長期的連續運轉或較高重複率脈衝式運轉；

其不足之處是輸出雷射為人眼看不見的近紅外光，因此在許多應用場合下需採用倍頻(二次諧波)技術將1064 nm雷射轉換為532 nm的綠色雷射；此外，工作晶體受人工生長技術的限制不容易做得很大，且晶體本身抗雷射破壞的能力不很強，因此不適於用來產生較高功率和較大能量的脈衝輸出。

這種雷射器主要應用於雷射測量、雷射加工、雷射治療、雷射抽運、非線性光學以及實驗室基本研究等方面。

圖4 摻釹釔鋁石榴石雷射器（用於醫療美容）

可調諧固體雷射器

很長一段時間限制固體雷射器應用的主要問題是效率低和缺少頻率多樣性，隨著材料工藝的發展，這兩個問題都得以有效解決，可調諧雷射器隨之誕生，其中鈦寶石雷射器是重要產品之一。

自1982年林肯實驗室首次演示鈦寶石雷射器以來，人們花了很長一段時間對其進行詳細的研究，使得鈦寶石雷射器的應用逐漸走向成熟，這類雷射器可以在近紅外進行調諧，具有較寬的調諧範圍。由於能級結構簡單，不呈現受激態吸收的優點，鈦寶石雷射器得到了廣泛的應用。

目前Thorlabs公司已經推出調諧範圍在720nm~1060nm波段的鈦藍寶石飛秒雷射器，主要應用於雙光子顯微鏡系統。

該雷射器調諧速度做到了高達4000nm/s的行業領先水平，在800nm處的輸出功率高於2.3W，同時在較寬的調諧範圍內提供140fs相對較窄的脈衝，可以減少由普克爾盒和其他元件引起的脈衝展寬。此外，由於其結構緊湊的特點，使得其在實驗室中的應用更為方便。

圖5 Thorlabs鈦寶石可調諧雷射器

二極體抽運雷射器

二極體抽運的固體雷射器誕生於1963年，它不同於以往的以閃光燈作為抽運源的固體雷射器，它的抽運源是LD，被稱為全固態雷射器，這主要是因為它的元器件都是「固態」的。

它的優點比較明顯：具有很強的光轉換率、功率大、穩定性好、安全可靠、使用時間長以及體積小等。

圖6 二極體抽運雷射器

目前有關全固態雷射器的研究，美國、德國以及日本走在世界前列，這些國家已經在大力發展全固態紫外雷射器，尤其是在中大功率全固態紫外雷射器的開發應用。全固態紫外雷射器在雷射微加工、雷射精密加工方面有著廣泛的應用。據報導：德國通快公司已經推出碟片結構的400W紫外雷射器、2kW綠光雷射器等。

總體來說，國外有關全固態固體紫外雷射器技術以及應用設備已趨向成熟，但是價格相對昂貴。國內的全固態雷射器的研究方向大致為：輸出功率為微、小、中型的器件沿著多樣化、智能化、產業化方向發展，大功率器件將向高平均功率、高光束質量發展。

固體雷射器未來的技術趨勢

山西大學張寬收教授曾在中國雷射雜誌社和光電匯舉辦的「雷射器發明60周年」線上系列活動提到，全固態雷射器的未來是超高、超快、超短與超穩。大體可以解釋為以下幾個方面：

• 進一步提高雷射器的平均功率和效率，若將整體效率提高10%~15%，則雷射加工等工業應用領域會進一步增強其與CO2雷射器的競爭力；
• 在雷射器高功率輸出時，保證雷射器的模式穩定，提高雷射器在自由運轉時的頻率穩定性；

• 系列化的工程產品研究，將雷射器做得成本低、可靠性高、輕巧便攜、使用方便等；

• 隨著人們對高精度、高靈敏度光學測量的關注，需要提高光學測量的精度和靈敏度，這時雷射器就需要做到可以很好的抑制額外噪聲，最好在分析頻譜範圍內達到散粒噪聲基準。

封面來源：www.delmarphotonics.com

文中圖片來源：各企業官網及百度圖片

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