固体激光器

最简单的固体激光器，它由激光工作物质、泵浦系统（通常由泵浦灯和聚光腔构成，也可以采用二极管激光器）、光学谐振腔（由全反射镜和输出镜构成）组成，为保证激光器正常工作，通常还要提供激励的激光电源、保证热平衡运行的冷却系统等。

根据不同的构成和工作7方式，激光器有许多种类。按激光持续时间分为连续波( Continuous - Wave，CW)激光器和脉冲(Pulse)激光器；在谐振腔内增加不同的调制器，就可构成窄脉冲的Q开关(Q - Switch)激光器、锁模(Mode - Locking)激光器；增加不同的波长变换器可变成多波长（Multi - Wavelength）激光器（2、3、4倍频等）、光参量振荡( Optical Parametric Oscillator．OPO)激光器、波长可调谐(Wavelength - Tunable)激光 器等。激励泵浦光源不同，又分为灯泵浦固体激光器( Lamp Pumped Solid - State Laser，LPSSL或LPL)和二极管泵浦固体激光器(Diode Pumped Solid - State Laser，DPSSL或DPL)。

固体激光器执行的基础RC0603FR-07100R.html" target="_blank" title="RC0603FR-07100R">RC0603FR-07100R标准主要是国家标准和行业标准，再加上各研制生产企业的产品详细规范（企业标准）。2005年和2006年先后颁布了两项国家军用标准，进一步规范了军用固体激光器的质量标准。需要指出的是激光对人体特别是对人眼有害，且固体激光器的电源一般是高压大电流设备，激光器设计、生产和使用过程中都应该严格遵循激光安全和电气安全的有关标准。

国内从事固体激光器研发和生产的主要单位有：中国电子科技集团公司第十一研究所、西南技术物理所、西安电子科技大学、清华大学等。

(1)灯泵浦固体激光器固体激光器发展的前四十年，普遍采用的是以非相干的惰性气体放电灯（属于真空器件）为激励泵浦光源（简称泵灯或光泵）。通常脉冲激光器采用脉冲氙灯，连续激光器采用连续氪灯。采用具有高光洁度并镀有高反射率膜内壁的聚光腔（最常用的是椭圆柱面）把泵灯发出的光有效地集中刭激光工作物质内，再按规定的工作方式产生激光。到目前为止，掺钕钇铝石榴石晶体(Nd: YAG)以其优良的物理化学特性和激光性能成为首选的激光工作物质。这种灯泵浦激光器技术比较成熟，按照不同用途，已经形成系列产品，使用性能和价格也已被军民用户接受。最早获得批量应用的军用激光器就是二十世纪七八十年代开始装备的小型手持激光测距机，一般单脉冲（能量约20mJ）方式工作。到目前为止，高性能的军用固体激光器以脉冲激光器为主，1996年5月电子工业出版社出版的《中国军用电子元器件》介绍了国产的几种常用固体激光器的主要性能和参数，现在使用的激光器大多和这些激光器相类似，现按主要应用分类。

随着固体激光及其应用技术的发展，激光性能得到进一步提高，近年又增加了一些新的品种，输出功率进一步提高（或多台同步合成），可用于对光电侦察、制导等光电传感器的致盲，高功率脉冲串方式工作可用作相关探测来实现远程测距，OPO可产生约1.5μm激光用于人眼安全测距，3—5¨m激光用于中红外光电对抗；在连续、高重频（几千到几十千赫兹级）或高重频大能量（百赫兹级）的高平均功率（几百瓦到几千瓦）体制下广泛用于各种航空、航天、船舶、兵器、电子等国防工业部门和国民经济其他部门的精密切割、焊接、打孔、热处理、打标等，军民用户可根据应用需求和不同类型激光器的性能和参数进行综合考虑，选用适宜的激光器。

固体激光器使用的光学泵灯是有限寿命、可方便更换的标准件，脉冲氙灯的寿命通常为106～ 107脉冲次，连续氪灯寿命大约300。500h;激光器的内部通常充满高纯氮气，以保证光学零件表面的清洁，否则高功率密度激光会引起光学零件的破坏，这些都应予以重视。

(2)二极管泵浦固体激光器二极管泵浦固体激光器( DPL)也称为全固态激光器，是从20世纪80年代发展起来的，主要是用和激光工作物质吸收光谱匹配好、寿命长的固态器件——激先二极管( LD)取代常规的宽光谱、寿命较短的真空器件——惰性气体灯进行激励泵浦，这种体制在继承和发扬固体激光器优点的基础上，不但体积、重量大大缩小，还可使电光转换效率提高10倍，可靠性提高100倍，是固体激光器的升级换代产品。针对DPL的特点，开发了不同激光材料（Yb: YAG、Nd: GGG等）和泵浦方式（端泵、侧泵）的DPL。随着泵浦用大功率激光 二极管阵列( Laser Diode Array，LDA)的技术成熟、产能提升、价格下降，DPL系列成为军民市场产品种类最多、性能覆盖最全、使用范围最广、销售最活跃的激光器。目前国际民用市场百瓦以下的中小型DPL商品，光束质量可以接近衍射极限，几百瓦的DPL也可以有很好的光束质量。德国Rofin - Sinar公司用于材料加工的DY系列高功率DPL产品，最大功率已经达到2. 6kW。美国、德国、日本是DPL技术先进的国家，都有多家研究机构DPL激光输出超过5kW。美国也是研究军用DPL最早、资金投入最多的国家，从20世纪90年代开始陆续使用DPL装备和替换原来的灯泵激光装备，是全球使用DPL装备最多的国家。美国从2002年起已经将高能DPL（25kW、lOOkW及lOOkW以上）列为第二代激光武器进行研究，以取代第一代氧碘化学激光武器，陆、海、空三军的多家研究机构均取得较好进展，2004年最高输出达到32kW（持续时间数秒）。

我国从“八五”开始进行DPL研究，取得了显著的成绩，主要品种有微型DPL(2 ～5kHz、20μJ)、中功率DPL(20～50Hz、15～30MW)、绿光DPL (30W、60W， 4100W)、DPL - OPO (2mJ、20mJ、200mJ)及中红外DPL（3～5μm）几个系列，部分产品陆续完成设计定型。

受LD发射波长随PN结温度漂移的影响，DPL需要对LD进行温度控制。LD的出光表面很容易被污染，PN结也很容易被静电击穿，这都需要特别注意。

(3)光纤激光器光纤激光器( FL)是一种特殊结构的二极管泵浦固体激光器。人们开始只用光纤传输激光，后来为在远距离光纤通信等应用中抵消传输损耗引入光纤放大器进行光信号放大，进而在光纤放大器的端面增加适当的光学措施（镀膜、布拉格光栅等）形成激光振荡并在光纤传输中不断放大，构成光纤激光器。如不加说明，只对输入激光进行放大的光纤放大器也包含在光纤激光器中。从外部看，将LD发出的激光耦合到掺杂激活离子(通常为铒(Er)、镱( Yb)等）的光纤中，就成了光纤激光器／放大器，一般情况下，耦合进光纤的泵浦光功率越强，光纤越长，输出激光的功率就越强。随着光纤和LD制造工艺的不断完善，光纤激光器也得到了飞速发展。和传统固体激光器相比，光纤激光器具有阈值低、转换效率高、光束质量好、散热性能好等特点，在高平均功率激光器方面具右很好的发展潜力。

光纤激光器主要有光纤通信用的小功率光纤激光器和大功率双包层光纤激光器。光纤通信用小功率光纤激光器一般用980nm或1480nmLD激光泵浦掺铒(Er)熔石英单模光纤，产生石英光纤传输色散最小的1.31μm和损耗最小的1.55μm两个波长，该FL技术相对比较成熟，已经形成光纤激光器／放大器系列的批量产品，广泛用于国际／国内的军用／民用光纤通信骨干网和局域网。主要生产单位有武汉邮电科学研究院（民用）、中国电子科技集团公司所属的成员单位（军用）。有关光纤通信用的小功率光纤激光器的具体性能、执行标准和选用原则在光纤通信方面的专著中有详细描述，这里不再详细讨论。

由里向外依次为纤芯、内包层、外包层和保护层。内包层与掺杂的纤芯构成单模光波导，将激光限制在纤芯中传输；又和外包层构成多模光波导，将泵浦光限制在内包层中反射传输并多次穿过纤芯被掺杂离子吸收，从而将多模泵浦光高效地转换为单模激光输出，可大大提高光纤激光器的效率。经过近二十年时间的发展，在双包层光纤技术、泵浦LD技术和泵浦耦合技术等方面均已经取得了很大的进展，目前光纤激光器CW工作时，光一光转换斜率效率可达83%，放大器可达89%；代表当前国际大功率光纤激光器最高水平的美国IPG公司2005年实现连续单根单模光纤激光器的输出功率达到2 kW。受高功率密度情况下的端面破坏的限制，单根光纤输出功率激光不可能太大，美国Northrop Grumman SpaceTechnology研究人员在2003年对7台光纤激光器进行相干合成输出了155W相干光，多光束的相干合成获得高功率激光输出仍是要解决的主要问题。

光纤激光器也已经从实验室走进市场，并呈现出良好的市场前景，在许多应用场合可以取代灯泵激光器和DPL。美国IPG公司已经可以向市场提供百瓦量级、单模、连续输出(100W、M2≈1、CW)的商用光纤激光器严品；将多个百瓦级的光纤激光器组束（非相干合成），可实现千瓦级(lkW时膨<10)、万瓦级(2005年达到17kW)的激光输出，并已经提供给汽车制造等行业应用。该公司的脉冲光纤激光器产品平均功率在10～ 20W的水平，该类产品在激光精密打标、切割、激光测距等领域已经获得广泛的应用。虽然光纤激光做Q开关并不有利，但对ns和ps脉冲放大都得到了很成功的结果。平均功率不足1W（30～ 50kHz，脉宽lOOns）的种子光，经芯直径30p4m、25m长的光纤放大（光泵功率约为140W、976nm），可得到平均功率100W（M2一1.1）的激光输出。

我国从“十五”开始大功率光纤激光器的研究，中国电子科技集团公司第十一研究所、中国兵器装备研究院、清华大学等单位都已获得单纤输出功率较大的光纤激光器样品，相信很快会有大功率光纤激光器产品走向市场。

同样光纤端面很容易被污染和激光损伤，需要特别注意防护。