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- 第一章导言
- 第二章激光和激光。
- 第三章固态激光器。
- 第四章固体激光器的应用。
- 第五章展望。
固体激光器原理(固体激光器的特性和应用)。
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第一章导言
激光是上个世纪人类创造的最杰出的技术成果之一。自20世纪60年代迈曼发明世界上第一台激光器以来，激光技术的发展硕果累累，已广泛应用于人类社会的各行各业。
从固态激光器出现到今天，都特别受到大家的关注。因为它具有峰值功率高、输出能量大、结构紧凑耐用等特点。，它在各个方面都有着广泛的用途，具有不可估量的价值。凭借这些优异的特性，固态激光器已经广泛应用于科学研究、国防军工、工业生产、医疗卫生等领域。，这让我们的日常生活越来越美好。
目前，激光器的研究重点是器件更小更轻、效率更高、光束质量更好、可靠性更高、寿命更长、工作速度更快的全固态激光器。全固态激光器的应用已经扩展到我们生活的各个领域。它是应用领域中一个基础且特别重要的核心设备，已经成为我们日常活动中不可或缺的帮手。它的结构、输出功率、转换效率和光束质量都有了很大的进步，具有很大的生命力。
全固态激光器具有体积小、效率高、光束质量好、可靠性高、寿命长、易操作等优点，是一个很有前途的激光研究方向。它具有通过变频实现宽带输出、易于模块化和电激励等优点，已广泛应用于科研、医疗、工业加工、军事等领域，是性能优异的新一代绿色节能光源。
如今，激光技术在各个领域的广泛应用，已经成为企业向信息化转型不可或缺的动力，推动了一条完整的高科技链条有序成长。根据国外相关统计，国外激光产业发展呈现出一派繁荣景象，市场需求不断上升，每年以20%以上的速度上升。目前，中国激光市场发展稳定，增长迅速。据统计报告显示，1999年我国激光产品市场销售额仅为14.13亿，2005年达到47.75亿。所以固态激光器的发展呈现出非常好的趋势，市场非常广阔，发展很大空。
第二章激光和激光。
2.1激光
2.1.1激光。
指光在受激辐射作用下变强的现象，英文名称为Laser。
2.1.2激光产生的条件。
激光产生有三个条件:
1)具有能实现能级跃迁的工作介质，称为激活介质，能使上能级和下能级处于粒子数反转状态；
2)有一个提供光反馈的光学谐振腔，其功能是延长工作物质的长度并使其。
进行持续受激辐射，达到加速光子的目的；二是会干扰激光的发射方向。三是控制输出波长。
3)有将工作物质从低能级转换到高能级所需的能量，使激光达到产生条件。
2.1.3激光特性。
激光产生的机理不同于普通光源，因此激光具有不同于普通光的特性:高方向性、单色性、相干性和高亮度[2]。
单色是指光的强度根据其频率排列的方式。这个指标可以用谱分布的宽度来衡量，谱越宽，性能越差。
方向性是指光可以根据需要分布在某个位置。这样，我们可以使光在很远的距离上具有很高的强度，这是光传播距离的指标。指向性越好，照射距离越远。
单色亮度是衡量光源发光能力的指标，其物理意义是光源在单位截面、带宽和立体角内的发射功率。
2.2激光的发明和发展。
20世纪20年代，阿尔伯特·爱因斯坦的光子激发辐射原理为激光的出现提供了极大的帮助。这个原理是指高能态的光子在低能态光子的作用下变成低能态，产生第二个光子，与之前的光子一起发射[3]。
1951年，唐斯提出了微波激射器的概念。1954年，美国科学家托马斯和俄罗斯科学家普罗霍罗夫在上得到了氨粒子被翻转的现象。不久之后，他们发现了微波的受激发射。
1956年，荷兰物理学家布隆伯根创造了粒子束可以通过光泵三能级原子系统反转的概念。
1958年，美国物理学家Schawlow和Townes通过谐振腔的作用得到了激光器，俄罗斯科学家prokhorov也成功研制出了振荡器和放大器。这两项发明为激光的发现提供了很大的帮助。
1960年，美国物理学家麦曼基于以前的激光理论，研制出世界上第一台激光器。
1965年，人类历史上第一台CO2激光器在美国研制成功，这是世界上第一台产生高功率的激光器。两年后，X射线激光器被成功开发出来。如今，激光技术广泛应用于我们生活的各个领域。
至于激光在中国的具体成功发展，可以从下表2.1中清楚地看到:
2.3激光器类型。
自20世纪60年代激光发明以来，该领域取得了长足的进步，激光技术已成功应用于各行各业。激光器有很多种，我们可以按照以下分类方法进行分类:
1)工作物质:这样我们可以把它分为固体、气体、染料、半导体、光纤、自由功率等六种激光器。
2)激发方式:按此方式可分为光泵、化学泵和核泵三种激光器[4]；
3)工作模式:这样可以分为连续、单脉冲、锁模和可调谐激光器四种。
4)根据输出波长的长短进行区分，包括红外激光、可见光激光、紫外激光和X射线激光。
如下表2.2所示:
表2 .2激光器的分类。
第三章固态激光器。
3.1固态激光器的工作原理和基本结构。
这种激光器的工作原理是工作物质吸收能量后达到激发态。为了反转粒子束并保持这种状态，它提供体检，然后光被放大然后输出。这种激光器的结构如下图3.1所示。
1)工作物质aa。
工作物质是激光器不可缺少的关键部件，它包括两个组成部分:活性粒子和基体。激光中许多重要的性能参数是由激活粒子的能级结构形成的，而基体主要影响材料的性能。
2)泵系统。
泵系统工作有两个必要条件:一是泵的发光效率必须满足系统的运行；第二，受激辐射的性质必须与工作物质的光谱性质一致。
我们还经常使用泵浦源，如太阳能、惰性气体和激光二极管。目前，惰性气体是最常用的泵源，而太阳能通常用于小功率设备。现在我们在这一领域的技术正朝着ld泵浦方向发展。它的优良特性是显而易见的:光转换率强、功率高、稳定性好、安全可靠、使用时间长、体积小等。现在它已经成为固体激光器发展中最有前途的泵浦源。
LD激光器可分为端面、侧面、侧面和混合泵浦[5]。图3.2显示了端面和侧面的泵结构。
3)集光系统。
该部分主要有以下两个功能:一是将工作物质与泵送系统相结合；第二个作用是对工作物质光密度的排列起决定性作用，进而干扰光束的各种参数和性能指标。聚焦腔由工作物质和泵浦源组成，因此泵的性能主要受聚焦腔的影响。如今，一些相对较小的固态激光器通常使用椭圆形腔，如图3.3所示。
图3.3椭圆形聚光腔。
4)光学谐振腔。
反射镜是固体激光器的重要组成部分。反射镜的主要作用是通过保持激光的连续振荡形式来完成激光的产生，并抑制光束的振动方向和频率，从而达到激光器的高性能指标参数。
5)冷却和过滤系统。
这部分是激光中最不可缺少的辅导设备。由于固态激光器工作时容易引起非常剧烈的热效应，一般需要采用冷却的方法。为了使激光器和其他部件安全，我们通常通过冷却工作物质、泵送系统和冷凝腔来保护它们。目前有三种冷却方式:液体、气体和传导，但最喜欢的是液体冷却方式。在获得高单色性能光的过程中，滤光系统起着重要的作用。其原理是可以成功地从泵浦光中去除大部分或有影响的光，从而获得高单色性能的光。
3.2典型的固态激光器。
随着这类技术多年的成长和积累，固态激光器种类繁多，但最常用的是红宝石、掺钕钇铝石榴石和二极管的固态激光器以及可调谐固态激光器。
3.2.1红宝石激光器(Cr3+:Al2O3)。
红宝石是掺有少量Cr3+离子的蓝宝石(Al2O3)。红宝石激光器的工作物质是红宝石晶体(Cr3+:Al2O3)，其中Cr3+是发光的活性粒子，属于三能级系统，决定了输出激光的光谱特性。而Al2O3是基质晶体[6]。下图3.4显示了红宝石中铬离子的能级结构。
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这种激光器有以下优点:
1)激光器机械硬度高，稳定性好，能接受高功率密度的激光，产生的光尺寸也大；
2)使用时间长，内存大，能发射高能激光；
3)激光光谱大，容易获得高能量的单个薄膜；
4)性能稳定，可输出波长400 ~ 760纳米的光。
在我们的实际工程领域，这种激光器有很好的市场，因为大多数传感器能够响应的波长都在可见光范围内，很多稀土四能级的工作波长都在400~760nm左右。
当然，凡事都有两面性，难免会有缺点:一是三级结构，所以需要搭建更大的门槛；其次，红宝石的特征目标对温度非常敏感。然后，它的激励频率比较低，导致它长期运行。发散角输出通常在3到10毫弧度的范围内，稍大一些。
如下图3.5所示，这是国内首款红宝石激光器，这款激光器在光激发形式上处于世界一流领先水平。
3.2.2掺钕钇铝石榴石激光器。
这种激光器是四能级系统，工作效率高，使用时间长，工作阈值低，输出波长低，可以长时间工作。
它的结构与以前的激光器基本相同。因为它的工作物质与对应的光泵不同，所以可以长时间工作。
这种激光器的晶体以YAG为基础，与适当的Nd3+混合形成晶体结构。这种晶体有很多优秀的特性，比如:导热效率高，为激光器的持续运转创造了非常好的基础；三价稀土离子的钇铝石榴石晶体熔点为1970℃，能承受大辐射。它的荧光宽度只有6.5厘米，因此它的工作阈值很小。量子的工作效率可以接近1，已经成为固体激光器中优秀的工作物质。
它通常将氪灯作为泵浦光源。氪灯和氙灯在结构上基本相同，但不同的是它的灯管内充有大气压为2 ~ 4的氪气。
这种晶体属于四能级能量体系，可以通过荧光发射产生激光和三价稀土离子。图3.6给出了这种激光器的能级结构图。
当实现4f3/2-4i11/2、4f3/2-4i13/2和4f3/2-4i9/2之间的跃迁时，产生了三条不同的荧光线，如下图3.6所示，其中1.06um线的能量大于其他两条线的能量。因此，1.06um首先达到阈值，形成激光振荡。
图3.6。
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能级结构
3.2.3铒钇铝石榴石激光器。
近年来，由于这种激光独特的波长，引起了科学家们的广泛关注，在医学应用中也取得了巨大的应用，具有良好的发展前景。
这种激光器的基本结构与Nd3+:YAG激光器类似，通常采用脉冲氙灯泵浦，聚光腔为镀银的单椭圆柱形腔或双椭圆柱形腔，但其光学元件必须与水蒸气隔离(如果激光束不隔离，就会被破坏)，因此需要将激光器密封在干燥的容器中[7]。
它光学性能高，损耗小，激光输出高，物理化学性质稳定，能高效去除硬组织。下图3.7为激光输出波长为2.94微米的Er:YAG激光器的跃迁能级图。
图3.7 er:YAG激光器的跃迁能级图。
3.2.4可调谐固态激光器。
这种激光器还有很多优秀的特点:它的内存大，可以使存储时间更长；其使用时间长；或者用二极管泵浦闪光灯时，效果非常明显。在调q的情况下也能正常工作；光束产生性能好，谐波产生能力也不错。
可调谐固体激光器是指能够在一定范围内连续改变输出波长的固体激光器。我们可以把它们分为两类[8]:一类是色心激光器；一种是由掺杂过渡金属离子的激光晶体制成的可调谐激光器。
前者是指工作物质为色心的晶体，是由于正负离子不存在造成的。由于晶体振荡的干扰，其荧光线宽较大。
色心激光器具有0.6 ~ 3.65微米的宽调谐范围和窄线宽，但大多数只能在低温下工作。激光晶体主要包括金绿宝石、Cr:GSGG和掺钛蓝宝石，其中钛蓝宝石是最佳的固体可调谐材料[9]。
3.2.5二极管泵浦固体激光器。
第一台二极管泵浦的固态激光器诞生于1962年，它不同于以往以闪光灯为泵浦源的固态激光器。它的泵浦源是LD，之所以叫全固态激光器，主要是因为它的组件是“固态”的。它的优点很明显:光转化率强，功率大，稳定性好，安全可靠，使用时间长，体积小。
全固态激光器有很多种，可以按照下表3.1进行分类:
3.3固态激光器的优缺点。
固态激光器的优势:
1)其能量输出大，峰值功率也大。这主要是因为它的能级结构特殊，所以可以输出能量和功率更高的激光。这是它最突出的优势。
2)具有较高的物理机械强度和较低的制造成本。与其他种类相比，这种激光器更简单实用，生产成本更低。
3)需要的材料种类很多。现在，工作材料至少有100种，并且呈现出越来越猛的增长势头。
随着科学技术的发展，越来越多的具有优异特性的原材料被发明出来，使得固态激光器的功能朝着越来越好的方向发展。
固态激光器的主要缺点:
1)其热稳定性差，运行一段时间后会产生大量热量。因为它的功率和能量输出比较大，非常容易造成系统产生过多的热量，所以需要设置冷却系统，这样才能让激光器长时间运行。
2)与其他激光器相比，其转换效率仍然相对较低。红宝石激光器的工作转换效率一般在0.5%到1%的范围内，而掺钕钇铝石榴石激光器的工作转换效率为1%到2%，3%是其极限。
3.4典型固态激光器的比较。
不同类型的激光器具有不同的特性，根据不同的参考角度进行分析可以得到不同的结论。如下表3.2所示，我们可以从工作材料的不同、输出波长的长短、能级结构的不同、常用泵浦方式的不同四个方面来比较上面介绍的几种典型的固态激光器。
第四章固体激光器的应用。
固态激光器因其功率大、机械操作简单等优点，在各行各业得到了广泛应用，正朝着更具发展性的方向发展。下面将详细介绍它在工业生产、军事领域和生物医学三个领域的应用。
4.1在工业加工中的应用。
在工业加工领域，激光加工是最常见的应用形式。我们一般把它分为两类激光加工:光热和光化学反应，包括光化学沉积、立体光刻、激光刻蚀等。[10].。前者主要是指通过激光束的照射对物体表面产生热效应，从而达到预期的效果，如焊接、切割、性能改变、钻孔和微处理等。后者的原理主要是指利用激光束投射，借助光子或光化学反应来加工物体。
1)激光切割。
这种方式是利用光线聚集后产生很强的能量，进而实现切割功能。在加工物体的过程中，这种方法得到了广泛的应用，因为它可以大大降低工人的劳动强度和成本，保证加工物体的质量。
2)激光焊接。
当激光用于物体加工时，这种技术是最常用的方法之一。整个过程为热传导式，即利用激光器产生的高热激光对物体表面进行加热，然后通过传导使被加工物体达到预期的效果。
由于其独特的优点，它被频繁地用于小型焊接工作。与其他焊接方法相比，具有焊接效率高、质量好、常温焊接等明显优点，设备结构更简单。
3)激光打孔。
随着人们对电子产品小型化需求的发展，要求我们的电子电路走向集成化。然而，这项技术需要在电路板上安装越来越多的微过孔和盲孔。然而，我们传统的手工加工方法肯定无法达到预期的精度，而随着这种激光打孔技术的发展，这一问题得到了很好的解决，具有很好的应用前景。
4.2在军事领域的应用。
如今，固态激光器在军事工业中的应用也呈现出越来越强劲的发展空，在军事工业的应用和发展过程中，可以说是激光器中的后来者。直到1990年，有专家研制出大功率LD激光器，使激光器在军事上大展身手。图4.1显示了诺斯罗普格鲁曼公司开发的高功率固态激光器。由于激光器输出波长小，在空空气中传输良好，可以满足远距离作业的使用要求。而且体积相对较小，使用特别方便，工作效率高。后期维护和保障相当容易，可以在各种平台上操作。在具体用途上，固态激光器在常规武器中受到青睐，如军用测距仪和具有导航功能的炸弹。
此外，它还有很大的潜力发展成定向武器，可用于导弹防御、防控和军舰自卫。
激光在军事领域的成功应用极大地改变了战场态势，并且随着技术的发展，可以实现模块化批量生产，这使得其在军事领域的应用速度更快，甚至成为单边作战中的重要组成部分。
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激光在未来的作战使用中占据着非常重要的地位，能够在反侦察、防护、清障等方面起到非常好的作用。下图4.2展示了美国陆军激光武器的理想渲染图:
在早期的军事领域，激光主要用于在战斗中测量距离和照明。20世纪60年代红宝石激光测距仪成功发明后，次年成功应用于军事领域。
4.3在生物医学中的应用。
医学领域的成功应用始于眼科手术。1962年，人们首次用激光连接视网膜和眼球，从而达到不切眼球的治疗效果。
固态激光器在生物医学领域的应用包括医学研究工具、激光诊断和激光治疗。
1)医学研究工具。
在研究医学病理学、生理学和生物化学的过程中，我们可以用固态激光的激光照射每个细胞，从而探索细胞的生理，也可以用激光做细胞手术。现在固体激光器已经成为科研人员研究遗传学和胚胎学实验的非常重要的设备。
2)激光诊断。
该检测方法可用于活体组织内部深圳活体网络的检测。因此，在人体手指和牙齿以及儿童脑积水方面有很好的应用。例如，科学家们现在正在研究使用能量为400焦耳、输出宽度为半毫米的激光来检测牙齿。
当用激光检测血药流量的含量时，可以在不干扰血药的情况下成功测量。
在对生物组织进行定量测试时，我们可以简单地测量被测对象身体各个部位的细胞成分，来检查对象中的元素成分。
3)激光治疗。
在激光治疗过程中，现在最常用的方法是使用激光凝固机。手术过程中，我们可以通过光刀的作用来治疗体内的手术部位，这样可以很好的减少血容量的流失，后期恢复更快，不受干扰。红宝石激光对视网膜、青光眼、巩膜手术也非常方便。红宝石激光器不仅是世界上第一台激光器，也是最早用于医疗的激光器[11]。而且由于其工作波长在可见光范围内，不适合与血红蛋白相互作用，所以在各种色素引起的病变中非常实用。
在生物医学治疗中应用越来越广泛的Nd3+:YAG激光器，具有许多优异的特性:高转换效率和超大激光输出功率，其中单晶工作时激光输出功率可达100瓦。与CO2气体激光相比，它具有更好的止血和凝固效果，因此在医疗领域经常扮演手术刀的角色。它的功能是在解剖充满血管的组织时放出血液。这种激光器可以输出脉冲能量相当大的激光，而且激光很难被水和血红蛋白吸收，因此可以穿透到深层组织。
由于Nd3+:YAG激光通过倍频技术可以获得波长为532nm的绿色激光，且穿透性较浅，一般局限于浅血管病变的治疗。此外，倍频Nd3+:YAG激光还可广泛应用于胃出血和血管瘤的治疗及显微手术，对红色染料颗粒引起的人工皮肤色素变异也有一定的治疗作用[12]。下图4.3为激光手术示意图。
图4.3激光手术示意图。
第五章展望。
固态激光器具有体积小、效率高、寿命长、覆盖带长、坚固耐用、激光加工方法多样、使用方便、输出功率高等诸多优良特性。它是一种以掺杂少量活性离子的晶体、玻璃或陶瓷为工作物质的激光器[13]。从1960年发明世界上第一台固态激光器到现在的高功率全固态激光器，固态激光技术的成长日新月异。为了跟上新环境下的应用需求，固态激光器必须向实用、高效、商用方向转移，即向全固化、输出激光脉冲和波长短的方向转移，目前已经取得了很好的效果。首先，增益介质得到改善。第一增益介质是红宝石，其次是钕玻璃、掺钕钇铝石榴石和掺钕镓钆石榴石，而新型激光材料的基体是陶瓷。第二，我们在泵浦光源方面做了很多改进。泵浦源从以前的闪光灯和弧光灯变成了现在的LD泵，输出功率越来越大。第三，增益介质的结构也有了很大的改进，从传统的棒条型结构到现在的盘和光纤型结构。
如今，虽然固态激光器取得了许多令人钦佩的成就，但许多技术仍然不成熟，可靠性需要研究人员进一步加强。目前激光市场最有发展前景的方向是全固态激光器，使器件越来越小，器件越来越轻，效率越来越高，光束质量越来越高，可靠性越来越高，寿命越来越长，操作越来越敏捷。
全固态激光器的应用已经扩展到各个领域，其结构、输出功率、转换效率和光束质量都有了很大的进步，具有很大的生命力。在国家相关政策对一些激光技术项目的大力支持下，很多技术将从研究走向产业化，最终应用到我们的日常活动中。
