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1、固体激光器的基本结构与工作物质扌摘要I960年，T.H.梅曼发明的红宝石激光器就是固体激光器，也是世界上第一台激光器。到I960年底，人们分别在固体（掺铀氟化钙）和气体（氦氖）中 实现了四能级激光器系统。固体激光器的发明梅曼发明的红宝石激光器为激光技 术的发展完全打开了新的大门。本文就固体激光器的基本结构与工作物质进行阐释。 关键词固体激光器基本结构工作物质基本结构工作物质固体激光器一般由激光工作物质、激励源、聚光腔、谐振腔反射镜和电源等部分 构成。工作物质，激光器的核心部 分，由光学透明的晶体或玻璃作为 基质材料，掺以激活离子或其他激 活物质构成。这种工作物质一般应 具有良好的物理一化学性质
2、、窄的 荧光谱线、强而宽的吸收带和高的 荧光量子效率。激励能源，固体激光器一般采L用光激励源。通常为光泵。它的作也 ；用是给工作物质以能量，即将原子由低能级激发到高能级的外界能量。通过强 光照射工作物质而实现粒子数反转的方法称为光泵法。例如红宝石激光器，是利 用大功率的闪光灯照射红宝石（工作物质）而实现粒子数反转，造成了产生激光 的条件。通常可以有光能源、热能源、电能源、化学能源等。常用的脉冲激励 源有充氙闪光灯；连续激励源有氪弧灯、碘钨灯、钾铷灯等。在小型长寿命激光 器中，可用半导体发光二极管或太阳光作激励源。一些新的固体激光器也有采用 激光激励的。聚光腔的作用有两个：一个是将泵浦源与工作物
3、质有效的耦合；另一个是决 定激光物质上泵浦光密度的分布，从而影响到输出光束的均匀性、发散度和光学 畸变。工作物质和泵浦源都安装在聚光腔内，因此聚光腔的优劣直接影响泵浦的 效率及工作性能。谐振腔，由全反射镜和部分反射镜组成，是固体激光器的重要组成部分。光 学谐振腔除了提供光学正反馈维持激光持续振荡以形成受激发射，还对振荡光束 的方向和频率进行限制，以保证输出激光的高单色性和高定向性。最简单常用的 固体激光器的光学谐振腔是由相向放置的两平面镜（或球面镜）构成。受激辐射 光通过反馈在其中形成放大与振荡，并由部分反射镜输出。冷却与滤光系统，冷却与滤光系统是激光器必不可少的辅助装置。固体激 光器工作时会
4、产生比较严重的热效应，所以通常都要采取 冷却措施。主要是对 激光工作物质、泵浦系统和聚光腔进行冷却，以保证激光器的正常使用及器材的 保护。冷却方法有液体冷却、气体冷却和传导冷却，但目前使用最广泛的是液体 冷却方法。要获得高单色性的激光束，滤光系统起了很大的作用。滤光系统 能 够将大部分的泵浦光和其他一些干扰光过滤，使得输出的激光单色性非常好。工作物质工作物质激光器的核心，是由激活粒子（都为金属）和基质两部分组成， 激活粒子的能级结构决定了激光的光谱特性和荧光寿命等激光特性，基质主要决 定了工作物质的理化性质。工作物质分类按激活离子能级结构形式，可分为三能 级和四能级系统。工作物质的形状主要有圆
5、柱体（棒状）、平板形（板条状）、圆盘 形及管状等。其中棒状使用的最多。为了改善热效应和提供输出功率，出现了板 条型、圆盘型及管状激光器。玻璃激光工作物质容易制成均匀的大尺寸材料，可用于高能量或高峰值功率 激光器。但其荧光谱线较宽，热性能较差，不适于高平均功率下工作。常见的钕 玻璃有硅酸盐、磷酸盐和氟磷酸盐玻璃。80年代初期，研制成功折射率温度系 数为负值的钕玻璃，可用于高重复频率的中、小能量激光器。晶体激光工作物质 一般具有良好的热性能和机械性能，窄的荧光谱线，但获得优质大尺寸材料的晶 体生长技术复杂。60年代以来已有300种以上掺入各种稀土金属或过渡金属离 子氧化物和氟化物晶体实现了激光振荡
6、。常用的激光晶体有红宝石、掺钕钇铝石榴石、氟化钇锂等。另一种新的工作 物质是一类自激活激光晶体。它的激活离子是晶体的一个化学组分，因而激活离 子浓度高，不致产生荧光猝灭。这种晶体的激光增益高，抽远阈值低。主要品种 有五磷酸钕、四磷酸锂钕和硼酸铝钕等。它们多用熔盐法生长，晶体尺寸小，可 用于小型固体激光器。目前，激光工作物质已有数千种，激光波长已由X光远至 红外光。例如氦氖激光器中，通过氦原子的协助，使氖原子的两个能级实现粒子 数反转。已研制成的还有多种具有宽带荧光特性的可调谐激光晶体，如终端声子 跃迁的金绿宝石、掺镍氟化镁、5d-4f跃迁的掺铈氟化钇锂、和碱卤化物的色 心激光晶体等。以上就是固体激光器的工作物质的相关介绍，由于工作物质的光学不均匀性 等原因，一般固体激光器的输出为多模。若选用光学均匀性好的工作物质和采取 精心设计谐振腔等技术措施，可得到光束发散角接近衍射极限的基横模（TEM00） 激光,还可获得单纵模激光。大家在使用挑选固体激光器的时候也一定要注意工 作物质的挑选。11级物理二班 李迎鑫 1130060070
