固体激光器是以掺杂离子的绝缘晶体或玻璃作为工作物质的激光器。在激光发展史上，固体激光器是最早实现激光工作的。目前已经实现激光振荡的固体工作物质有百余种，激光谱线有数千条，但是最常采用的固体工作物质仍然是红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴石(Nd3＋：YAG)等三种。

与其它种类的激光器相比较，固体激光器的特点是：输出能量大(可达数万焦耳)，峰值功率高(连续功率可达数千瓦，脉冲峰值功率可达千兆瓦、几十兆兆瓦)，结构紧凑牢固耐用。因此它在工业、国防、医疗、科研等方面得到了广泛的应用，例如打孔、焊接、划片、微调、激光测距、雷达、制导、激光视网膜凝结、全息照相、激光存储、大容量通信等。随着激光器性能的不断提高，固体激光器的应用范围还在继续扩大。

1.1 固体激光器的基本结构与工作物质

固体激光器基本上都是由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光系统构成的。图(5—1)是长脉冲固体激光器的基本结构示意图(冷却、滤光系统未画出)。

固体激光工作物质是固体激光器的核心。影响固体激光器工作特性的关键是固体激光工作物质的物理和光谱性质，这主要是指吸收带，荧光谱线，热导率等。目前研究过的固体工作物质很多，用它们制作了各种各样的固体激光器，但是最广泛使用的是红宝石激光器、掺钕钇铝石榴石（YAG）激光器和钕玻璃激光器三种。后两种产生激光的机制是类似的，而红宝石和YAG激光器 从产生激光的机制来讲，分别属于三能级和四能级系统，有一定的代表性，所以下面只介绍红宝石和YAG激光工作物质。

图（1#p#分页标题#e#） 固体激光器的基本结构示意图

1．红宝石(Cr3＋：A12O3)

红宝石是在三氧化二铝(A12O3)中掺入少量的氧化铬(Cr2O3)生长成的晶体。它的吸收光谱特性主要取决于铬离子(Cr3＋)，如图（5—2）所示。由图可见，红宝石中的铬离子有两个强吸收带：峰值位于0.4lm处的紫外带(U带)和峰值位于0.55m处的黄绿带(Y带)。由于红宝石晶体的各向异性，它的吸收特性与光的偏振状态有关，所以对于光场的振动方向与晶体光轴c垂直和平行的两种分量，吸收曲线略有差别。红宝石中的铬离子与激光产生有关的能级结构如图（5—3）所示。它属于三能级系统，相应于图（5—3）的简化能级模型，其激发态E3为4F1和4F2能级，激光上、下能级E2和E1分别为2E和#p#分页标题#e#4A2。它的荧光谱线有两条：R1线和R2线，在室温下对应的中心波长分别为0.6943m和0.6929m。由于R1线的辐射强度比R2大，在振荡过程中总占优势，所以通常红宝石激光器产生的激光谱线均为R1线(0.6943m)。

图(2) 红宝石中铬离子的吸收光谱

红宝石激光器的优点是机械强度高，容易生长大尺寸晶体，容易获得大能量的单模输出，输出的红颜色激光不但可见，而且适于常用硅探测器探测。红宝石激光器的主要缺点是阈值高和温度效应非常严重。随着温度的升高，激光波长将向长波长方向移动，荧光谱线变宽，荧光量子效率下降，导致阈值升高，严重时会引起“温度猝灭”。因此，在室温情况下，红宝石激光器不适于连续和高重复率工作，但在低温下，可以连续运转。

图（3）  红宝石中铬离子的能级结构

2．掺钕钇铝石榴石(Nd3＋：YAG)

这种工作物质是将一定比例的A12O3、Y2O3，和Nd2O3在单晶炉中进行熔化，并结晶而成的，呈淡紫色。它的激活粒子是钕离子#p#分页标题#e#(Nd3＋)，其吸收光谱如图（5—4）所示，在紫外、可见光和红外区内有几个强吸收带。

图（4） Nd3＋：YAG晶体的吸收光谱(300K)

YAG中Nd3＋与激光产生有关的能级结构如图（5—5）所示。它属于四能级系统。其激光上能级E3为4F3/2，激光下能级E2为4I13/2、4I11/2，其荧光谱线波长为1.35m、1.06m，4I9/2相应于基态E1。由于1.06m比1.35m波长的荧光强约4倍，所以在激光振荡中，将只产生1.06m的激光。

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图（5） Nd3＋：YAG的能级结构

Nd3＋：YAG激光器的突出优点是阈值低和具有优良的热学性质，这就使得它适于连续和高重复率工作。YAG是目前能在室温下连续工作的唯一实用的固体工作物质，在中小功率脉冲器件中，特别是在高重复率的脉冲器件中，目前应用Nd3＋：YAG的量，远远超过其它固体工作物质。可以说，Nd3＋：YAG从出现至今，大量使用，长盛不衰。