一文看懂什么是固体激光器？类型、应用、前景……

固体激光器是一种激光器，它使用固态增益介质来放大光束。在激光技术中，"增益介质"是指能够放大光束的物质。固体激光器的增益介质通常是掺杂了稀土或其他类型离子的晶体或玻璃。与其气体和液体激光器相比，固态激光器在固体晶体或玻璃材料内产生激光光线。这种区别有助于提高它们的稳定性、效率和多功能性。

固体激光器的特点：

增益介质：固体激光器的核心是一个固态晶体，如掺杂钕的YAG（钇铝石榴石）晶体。这些晶体通过掺杂过程获得了特殊的光学性质，使它们能够放大通过的光。

泵浦源：为了激发增益介质中的电子到高能级，需要一个外部能源，通常是另一种激光或强光源。这个过程称为"泵浦"。

共振腔：固体激光器包含一个共振腔，通常由两个镜子组成，一个完全反射，另一个部分透明。光在增益介质和这两个镜子之间来回反射，每次通过增益介质时都会得到放大。

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输出：通过部分透明的镜子，放大的光束可以作为激光输出。这个光束具有非常高的强度、方向性和单色性。

优点和缺点：固体激光器的优点包括高峰值功率和良好的光束质量。然而，它们也有一些缺点，如倾向于产生较多的热量，这需要有效的冷却系统来管理。

固态激光器的优势

固态激光器具有多项优势，包括：

高光束质量：固态激光器产生具有卓越精度和焦点的激光光束，非常适用于各种应用。

高效能量转换：它们拥有高效的能量转换过程，减少了能源浪费。

紧凑而坚固的设计：其紧凑的尺寸和坚固的结构使其适用于工业和科学应用。

长寿命：固态激光器以其耐用性而闻名，确保了长时间的使用。

输出精确控制：操作员可以精细调整激光的功率输出，以满足具体要求。

固态激光器的类型及其应用

固态激光器的种类很多，包括使用有机半导体作为增益介质的有机固态激光器（OSSLs），这种类型的激光器具有便捷的加工技术和灵活的光谱和化学调节能力（Jiang et al., 2020）。

固态激光器还包括一些基于新材料的创新设计，例如通过金属纳米粒子链支持的局域表面等离子体共振实现的Nd(3+)-基固态纳米激光器（Molina et al., 2016）。以下是我列出的常见固体激光器、其特点与应用

钕掺杂钇铝石榴石（Nd:YAG）激光器：

增益介质：Nd:YAG激光器使用掺有钕（Nd）的钇铝石榴石（YAG）晶体作为增益介质。

特点：这种激光器可以在多个波长上运行，最常见的是1064纳米，如亮点光电的1064nm全固态Nd YAG固体激光器，它们以高效率、高功率输出、高精电光调Q和良好的光束质量而闻名。

应用：广泛应用于工业加工（如切割和焊接）、医疗（如激光手术）、激光泵浦、激光雷达和科研等，在宝石钻石切割中，更常用的激光器是半导体增益模块（DPSS laser)。

钕掺杂玻璃激光器：

增益介质：这类激光器使用掺有钕的特殊玻璃。

特点：与Nd:YAG相比，钕掺杂玻璃激光器通常有更大的增益介质体积，适合于产生高能量的脉冲。

应用：主要用于科研，尤其是在高能物理和惯性约束聚变研究中。

钛掺杂蓝宝石（Ti:Sapphire）激光器：

增益介质：使用掺有钛的蓝宝石（Ti:Sapphire）晶体。

特点：这种激光器以其宽波长调谐范围（约700到1000纳米）和能够产生极短脉冲而著名。

应用：在超快光谱学和飞秒激光应用中非常重要。

掺铒光纤激光器（Er: Fiber）：

增益介质：使用掺铒的光纤。

特点：这些激光器以其紧凑的设计和高效率而闻名，特别是在1.5微米波长附近。如亮点光电的铒玻璃固体激光器，具有人眼安全、体积小、重量轻和可适应严苛工作环境的特点

应用：主要用于通信、激光雷达、激光测距和医疗应用。

掺镱光纤激光器（Yb: Fiber）：

增益介质：使用掺镱的光纤。

特点：具有高功率输出和良好的光束质量，波长通常在1微米左右。

应用：广泛用于工业加工、科研和医疗领域。

其他应用

· 固态激光器在硅加工方面得到了广泛应用，特别是在半导体行业中，用于固相和液相再生非晶硅层，以及激光光化学的新应用（Boyd & Wilson, 1983）。

· 它们是全固态中红外激光器的核心设备，这些激光器在军事和民用领域都扮演着关键角色（Wang et al., 2020）。

· 固态激光器在生物医学、材料加工、远程传感等多个领域都有应用（Gladstone, 2005）。

固态激光器技术的最新进展及读物分享

1. 拓扑现象在固态激光器中的应用

    发表日期：2023-07-10

    研究团队探讨了声学、光子学和固态晶格中的拓扑现象，这可能对固态激光器的设计和功能产生重要影响。阅读更多

2. DiPOLE二极管泵浦固态激光器的发展

    发表日期：2023-03-9

    该研究介绍了一种新型的DiPOLE激光器，它是基于低温冷却的多板陶瓷Yb:YAG的高能量DPSSL放大器。这种激光器能够以10焦耳、100赫兹的性能运行，展示了固体激光器在高能量、高重复率脉冲产生方面的显著进步。阅读更多

3. 高功率密度LuAG:Ce绿色转换器

    发表日期：2023-02-26

    研究团队开发了Lu3Al5O12:Ce (LuAG:Ce) 磷光体，用于高亮度激光驱动固态照明。这些转换器展示了在高功率密度和高亮度应用中的潜力，为固态激光照明技术的发展提供了新的方向。阅读更多

参考文献

Boyd, I., & Wilson, J. I. B. (1983). Laser processing of silicon. Nature, 303, 481-486. 

Wang, W., Mei, D., Liang, F., Zhao, J., Wu, Y., & Lin, Z. (2020). Inherent laws between tetrahedral arrangement pattern and optical performance in tetrahedron-based mid-infrared nonlinear optical materials. Coordination Chemistry Reviews, 421, 213444.

Jiang, Y., Liu, Y.‐Y., Liu, X., Lin, H., Gao, K., Lai, W., & Huang, W. (2020). Organic solid-state lasers: a materials view and future development. Chemical Society Reviews.

Gladstone, D. (2005). Review article. Health Care Analysis, 3, 75-79. 

Molina, P., Yraola, E., Ramírez, M., Tserkezis, C., Plaza, J., Aizpurua, J., Bravo-Abad, J., & Bausá, L. (2016). Plasmon-Assisted Nd(3+)-Based Solid-State Nanolaser. Nano Letters, 16(2), 895-899. 

Huber, G., Kränkel, C., & Petermann, K. (2010). Solid-state lasers: status and future [Invited]. Journal of The Optical Society of America B-optical Physics, 27.