固體激光器是什么？

在激光器中，一個可以造成粒子數反轉的激光工作物質是它的核心。工作物質是晶體，或者玻璃的激光器，分別稱為晶體激光器和玻璃激光器，通常又把這兩類激光器統稱為固體激光器。發展最早的紅寶石激光器，廣泛地應用在測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，是無色透明的，其中摻了少量氧化鉻（約萬分之幾）就成了紅寶石。激光由鉻離子產生，剛玉則給了鉻離子一個有利于產生激光的微觀環境。通常把鉻離子叫做激活離子，剛玉叫做基質。所有的固體激光材料都是由激活離子摻雜在基質材料中組成的，例如釹玻璃的激活離子是釹離子，基質是無色透明的光學玻璃。

我們在前面已經提到，用氙燈的閃光照射紅寶石，可以獲得粒子數反轉。固體激光器差不多全用光泵激發。氙燈大多制成直管狀的，和工作物質并排放置。為了把氙燈的閃光盡可能多地會聚到紅寶石棒中去，需要一個聚光器。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，它結構緊湊、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，但加工比較復雜。

早期的激光打孔機、視網膜焊接機、激光測距儀等裝置中，紅寶石激光器用得較多。一九七七年，日本完成了一臺大型紅寶石裝置，峰值功率達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構與紅寶石激光器基本相同。紅寶石激光器輸出的是波長為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，波長為1.06微米。 激光器產生激光所需要的最低輸入能量稱為閾值。閾值當然越低越好。閾值的大小與工作物質的品種和質量有很大關系，與紅寶石相比，摻釹的石榴石具有閾值低，光放大系數大的優點，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，軍用的激光測距儀和制導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工作，并且有較大功率的固體激光器。石榴石激光器的連續輸出功率已超過一千瓦，工作的壽命主要受到光泵燈的限制，目前燈的壽命已超過一千小時。石榴石激光器還可以高重復頻率方式運轉，重復率可高達每秒幾千次，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之外，許多應用產品中，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工藝的限制，沒有辦法做成大塊的優質材料。激光玻璃的特點是容易制成尺寸大而又均勻的優質材料，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，對于激光晶體和激光玻璃的研究一直是很受重視的。近年來的重點是探索高效率的、室溫下能連續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是克服非線性效應和強激光的損傷。