固体激光器是什么？

在激光器中，一个可以造成粒子数反转的激光工作物质是它的核心。工作物质是晶体，或者玻璃的激光器，分别称为晶体激光器和玻璃激光器，通常又把这两类激光器统称为固体激光器。发展最早的红宝石激光器，广泛地应用在测距仪和材料加工上的石榴石激光器，以及在激光核聚变研究中首屈一指的钕玻璃激光器，它们是固体激光器的代表。

红宝石是一种人工制备的晶体。红宝石的主要成分是氧化铝。纯净的氧化铝晶体称作刚玉，是无色透明的，其中掺了少量氧化铬（约万分之几）就成了红宝石。激光由铬离子产生，刚玉则给了铬离子一个有利于产生激光的微观环境。通常把铬离子叫做激活离子，刚玉叫做基质。所有的固体激光材料都是由激活离子掺杂在基质材料中组成的，例如钕玻璃的激活离子是钕离子，基质是无色透明的光学玻璃。

我们在前面已经提到，用氙灯的闪光照射红宝石，可以获得粒子数反转。固体激光器差不多全用光泵激发。氙灯大多制成直管状的，和工作物质并排放置。为了把氙灯的闪光尽可能多地会聚到红宝石棒中去，需要一个聚光器。聚光器的形状决定了固体激光器的外貌。广泛采用的是圆柱形聚光器，它结构紧凑、加工方便、聚光效率也较高。此外，也有球形、椭球形、椭圆柱形等聚光器，它们的聚光效率更高，但加工比较复杂。

早期的激光打孔机、视网膜焊接机、激光测距仪等装置中，红宝石激光器用得较多。一九七七年，日本完成了一台大型红宝石装置，峰值功率达100亿瓦，脉冲宽度为一毫微秒用于激光等离子的研究。石榴石激光器和钕玻璃激光器的结构与红宝石激光器基本相同。红宝石激光器输出的是波长为6943埃的红光，而石榴石激光器和钕玻璃激光器输出的是红外线，波长为1.06微米。 激光器产生激光所需要的最低输入能量称为阈值。阈值当然越低越好。阈值的大小与工作物质的品种和质量有很大关系，与红宝石相比，掺钕的石榴石具有阈值低，光放大系数大的优点，输出同样大小的激光能量，石榴石激光器可以制作得小巧、轻便。所以，军用的激光测距仪和制导用激光照明器都采用石榴石激光器，而很少去用红宝石激光器了。石榴石激光器是唯一能在常温下连续工作，并且有较大功率的固体激光器。石榴石激光器的连续输出功率已超过一千瓦，工作的寿命主要受到光泵灯的限制，目前灯的寿命已超过一千小时。石榴石激光器还可以高重复频率方式运转，重复率可高达每秒几千次，每次输出功率在几千瓦以上。这两种工作方式的激光器适合材料加工的要求。目前，除了特殊需要红宝石的激光波长之外，许多应用产品中，都已用石榴石激光器代替了红宝石激光器。

红宝石和石榴石由于晶体生长工艺的限制，没有办法做成大块的优质材料。激光玻璃的特点是容易制成尺寸大而又均匀的优质材料，而且成本也比晶体便宜。因此，钕玻璃适宜于研制高功率大型脉冲激光器，主要用在激光核聚变的研究中。 自从有了激光器以来，对于激光晶体和激光玻璃的研究一直是很受重视的。近年来的重点是探索高效率的、室温下能连续工作的晶体激光材料，比较有成效的有五磷酸钕和磷酸锂钕，激光玻璃的研究重点是克服非线性效应和强激光的损伤。