固體激光器的種類_固體激光器的應(yīng)用

固體激光器的種類

隨著固體激光器技術(shù)多年的成長(zhǎng)積累，現(xiàn)在固體激光器的類型更是各種各樣都有，但是最經(jīng)常使用的主要還是泵浦源為紅寶石、摻釹釔鋁石榴石、二極管的固體激光器以及可調(diào)諧固體激光器等這幾類。

紅寶石激光器

紅寶石激光器（Cr3+：Al2O3）是摻有少量Cr3+離子的藍(lán)寶石（Al2O3），紅寶石激光器的工作物質(zhì)是紅寶石晶體（Cr3+：Al2O3），其中Cr3+是發(fā)光的激活粒子，它屬于三能級(jí)系統(tǒng)，決定著輸出激光的光譜特性;而Al2O3是基質(zhì)晶體。

這類固體激光器具有如下的優(yōu)點(diǎn)：

①激光器機(jī)械硬度大、穩(wěn)定性較好，能夠接受功率密度較大的激光，而且生產(chǎn)的光的尺寸也較大;

②使用時(shí)間長(zhǎng)，內(nèi)存大，能夠有大能量的激光發(fā)射;

③激光頻譜較大，能夠輕易的獲得高能量的單膜;

④它的性能穩(wěn)定、可以輸出波長(zhǎng)為400~760nm的光。

當(dāng)然任何事物都有兩面性，這類固體激光器也難免會(huì)有缺點(diǎn)：首先它是三能級(jí)的構(gòu)造，因此它所需要構(gòu)建的閾值較大;其次紅寶石的特性目標(biāo)對(duì)于溫度非常的敏感;然后，對(duì)于它的激發(fā)頻率比較低，這就導(dǎo)致了它能夠長(zhǎng)時(shí)間的工作;發(fā)散角輸出通常在三到十毫弧這個(gè)范圍內(nèi)，稍微偏大。

摻釹釔鋁石榴石激光器

摻釹釔鋁石榴石激光器（Nd3+：YAG）是四能級(jí)系統(tǒng)的激光器，它的工作效率較高，使用時(shí)間長(zhǎng)以及工作的閾值較低，輸出的波長(zhǎng)較低，所以能夠長(zhǎng)時(shí)間的進(jìn)行工作。它的結(jié)構(gòu)與前面那種固體激光器的構(gòu)造根本上是一致的。由于它的工作物質(zhì)和與其對(duì)應(yīng)的光泵不同，所以能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的工作。

這類固體激光器的晶體是以YAG為基礎(chǔ)材質(zhì)，混入適當(dāng)?shù)腘d3+共同組成了晶體結(jié)構(gòu)。這種晶體有許多優(yōu)良特性，例如：熱的傳導(dǎo)效率較快，這樣就對(duì)激光器的連續(xù)工作創(chuàng)造了非常好的基礎(chǔ);三價(jià)稀土離子的釔鋁石榴石晶體具有1970℃的熔點(diǎn)，能夠承受較大的輻射;它的熒光寬度僅為6.5cm，所以它的工作閾值較小;熒光量子的工作效率可近似接近于1，成為了現(xiàn)在的固體激光器內(nèi)極其優(yōu)秀的工作物質(zhì)。

摻釹釔鋁石榴石激光器通常把氪燈當(dāng)作是泵浦光源。氪燈與氙燈的構(gòu)造基本相同，區(qū)別是它的燈管內(nèi)充有大氣壓為2到4的氪氣。

摻鉺釔鋁石榴石激光器

摻鉺釔鋁石榴石激光器（Er：YAG）的波長(zhǎng)比較獨(dú)特，引起了科學(xué)家的廣泛關(guān)注，并且在醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面也取得了較大的應(yīng)用，對(duì)于未來(lái)的發(fā)展有很好的前景。

這類固體激光器的基本結(jié)構(gòu)與Nd3+：YAG固體激光器基本結(jié)構(gòu)相似，通常采用脈沖氙燈泵浦，聚光腔為鍍銀的單橢圓柱腔或雙橢圓柱腔，但是它的光學(xué)元件必須與水蒸氣隔離（不隔離激光束將破壞），因此需要將激光器密閉在干燥的容器之中。

摻鉺釔鋁石榴石激光器具有較高的光學(xué)性能、較小的損耗，而且激光輸出方面比較的高，物理化學(xué)性能較穩(wěn)定，能特別高效的去掉硬組織。

可調(diào)諧固體激光器

可調(diào)諧固體激光器也具備了比較多的優(yōu)異的特點(diǎn)：它的內(nèi)存較大，能夠使儲(chǔ)存時(shí)間較大;其使用時(shí)間長(zhǎng);閃光燈或者二極管泵浦時(shí)效果非常明顯;在調(diào)形下也能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn);產(chǎn)生光束性能好，并且諧波的產(chǎn)生能力也較好。

可調(diào)諧固體激光器指的是在一定范圍內(nèi)，能夠使輸出波長(zhǎng)連續(xù)改變的固體激光器，我們可以將它分為兩類：一類是色心激光器;一類是用摻過(guò)渡族金屬離子的激光晶體制作的可調(diào)諧激光器。

前者是指工作物質(zhì)為有色心的晶體，這種色心是由于正負(fù)離子的缺失造成的。它的熒光線寬因?yàn)榫w振蕩的干擾而使得其寬度較大。色心激光器調(diào)諧范圍寬為0.6～3.65微米，線寬窄，但是大部分都只能在低溫下工作。激光晶體主要包括金綠寶石、Cr:GSGG和摻鈦藍(lán)寶石等，其中性能最好的固體可調(diào)諧材料是鈦藍(lán)寶石。

二極管泵浦的固體激光器

二極管泵浦的固體激光器誕生于1962年，它不同于以往的以閃光燈作為泵浦源的固體激光器，它的泵浦源是LD，被稱為全固態(tài)激光器，這主要是因?yàn)樗?a target="_blank">元器件都是“固態(tài)”的。它的優(yōu)點(diǎn)比較明顯：具有很強(qiáng)的光轉(zhuǎn)換率、功率大、穩(wěn)定性好、安全可靠、使用時(shí)間長(zhǎng)以及體積小等。

固體激光器的應(yīng)用

固體激光器在軍事、加工、醫(yī)療和科學(xué)研究領(lǐng)域有廣泛的用途。固體激光器常用于測(cè)距、跟蹤、制導(dǎo)、打孔、切割和焊接、半導(dǎo)體材料退火、電子器件微加工、大氣檢測(cè)、光譜研究、外科和眼科手術(shù)、等離子體診斷、脈沖全息照相以及激光核聚變等方面。

固體激光器在工業(yè)加工中的應(yīng)用

1、激光切割

激光切割是利用光在聚集以后產(chǎn)生非常強(qiáng)的能量，然后實(shí)現(xiàn)切割的功能。在物體加工的過(guò)程中，由于固體激光器能夠大大的降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和成本，而且還可以保證加工物件的質(zhì)量，所以得到了人們的普遍運(yùn)用。

2、激光焊接

這類技術(shù)是固體激光器用于物體加工過(guò)程中使用最頻繁的一種方法。整個(gè)過(guò)程是熱傳導(dǎo)型，即通過(guò)激光器產(chǎn)生的高熱量激光對(duì)物體的表面進(jìn)行加熱，然后經(jīng)過(guò)傳導(dǎo)作用，最終使加工的物件達(dá)到我們想要的結(jié)果。

正是因?yàn)楣腆w激光器的長(zhǎng)處比較獨(dú)特，現(xiàn)在已經(jīng)被頻繁的運(yùn)用在小型的焊接工作中了。與其它的焊接相比，它具有明顯的焊接效率高、質(zhì)量好以及能在常溫條件下焊接的優(yōu)點(diǎn)，而且設(shè)備構(gòu)造也較簡(jiǎn)單。

3、激光鉆孔

隨著人們對(duì)電子產(chǎn)品向小型化的需求發(fā)展，就要求電子線路向集成化的方向邁進(jìn)，然而這種技術(shù)需要在線路板上安裝越來(lái)越多的微型過(guò)孔以及盲孔。而傳統(tǒng)的手工加工方式肯定達(dá)不到想要的精度，而隨之固體激光器鉆孔技術(shù)的發(fā)展，很好的解決了這個(gè)問(wèn)題，具有很好的應(yīng)用前景。

固體激光器在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用

固體激光器如今在軍工方面的應(yīng)用也表現(xiàn)出了愈發(fā)強(qiáng)大的發(fā)展空間，它在軍工方面的運(yùn)用發(fā)展歷程中算是激光器中的后來(lái)居上。直到1990年，有專家研發(fā)了大功率的LD激光器，這才使得激光器在軍事方面大顯身手。

由于固體激光器的輸出的波長(zhǎng)較小，這就很好的在空氣中傳輸，進(jìn)而可以達(dá)到長(zhǎng)距離作戰(zhàn)的使用要求，并且它的體積相對(duì)而言還較小，運(yùn)用起來(lái)格外的便利，工作效率較高，對(duì)于后期的維護(hù)保障相當(dāng)容易，可以在各種平臺(tái)上操作。在具體的使用方面，固體激光器在常規(guī)武器中比較受青睞，比如軍事專用的測(cè)量距離的機(jī)器，有導(dǎo)航功能的炸 彈等。而且固體激光器還有非常大的可能向定向武器方面發(fā)展，可以用于導(dǎo) 彈的防御、防控以及還是軍艦的自我防衛(wèi)等。

固體激光器在軍事領(lǐng)域的成功運(yùn)用，對(duì)于戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的轉(zhuǎn)變有非常大的變化，而且隨著技術(shù)的發(fā)展，它很能夠?qū)崿F(xiàn)模塊化的批量生產(chǎn)，這就使得在軍事領(lǐng)域更加的方面快捷，更有甚至可以成為單邊作戰(zhàn)的重要元器件。

固體激光器在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

固體激光器在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的成功運(yùn)用還是從眼部手術(shù)開(kāi)始的，1962年，人們第一次將人的視網(wǎng)膜和眼球利用激光進(jìn)行連接，這樣就可以做到不用對(duì)眼球進(jìn)行切開(kāi)就能達(dá)到治療的效果。

固體激光器于生物醫(yī)療領(lǐng)域中的使用包括醫(yī)學(xué)研究工具、激光診斷和激光治療三大類。

1、醫(yī)學(xué)研究工具

在研究醫(yī)學(xué)病理、生理、生化的過(guò)程中，可以通過(guò)固體激光器的激光照射各個(gè)細(xì)胞，以便對(duì)細(xì)胞的生理開(kāi)展探究，也可利用激光來(lái)做細(xì)胞手術(shù)?，F(xiàn)在固體激光器已經(jīng)變成了科研人員研究遺傳學(xué)和胚胎學(xué)實(shí)驗(yàn)非常重要的器材。

2、激光診斷

利用激光診斷測(cè)試方法可以很好的對(duì)活體組織進(jìn)行內(nèi)部的檢測(cè)。所以在對(duì)人體的手指、牙齒以及小孩的腦積水方面都有很好的應(yīng)用。比如現(xiàn)在科學(xué)家正在研究利用能量為400J、輸出寬度為半毫米的激光器對(duì)牙齒進(jìn)行檢測(cè)。

利用固體激光器來(lái)檢測(cè)血藥流動(dòng)方面的內(nèi)容的時(shí)候，在不需要血藥進(jìn)行擾亂的情況下就可以成功的測(cè)量。當(dāng)對(duì)生物的組織進(jìn)行定量測(cè)試的時(shí)候，可以很簡(jiǎn)單的測(cè)定被測(cè)對(duì)象身體各個(gè)部位的細(xì)胞成分，來(lái)檢查對(duì)象內(nèi)的元素成分。

3、激光治療

在激光治療的過(guò)程中，現(xiàn)在最為常用的方法就是利用固體激光器的凝結(jié)機(jī)。在進(jìn)行手術(shù)的時(shí)候，通過(guò)激光手術(shù)刀的作用就可以對(duì)身體內(nèi)的手術(shù)部位進(jìn)行治療，這樣就可以很好的減輕血量的流失，而且后期恢復(fù)較快，沒(méi)有干擾等。在視網(wǎng)膜、青光眼以及鞏膜的手術(shù)上面紅寶石激光器也非常方便，紅寶石激光器不僅是全球第一臺(tái)激光器，也是最早在醫(yī)學(xué)治療中使用的激光器。而且由于它的工作波長(zhǎng)是可見(jiàn)光范圍，不宜與血紅蛋白進(jìn)行作用，所以在各種色素引起的病變中非常的實(shí)用。

在生物醫(yī)學(xué)治療中使用越來(lái)越普及的固體激光器是Nd3+：YAG激光器，由于這一類固體激光器具有多種優(yōu)良特性：轉(zhuǎn)換的效率相當(dāng)?shù)母?，超?jí)大的激光輸出功率，其中激光輸出功率在單根的晶體工作時(shí)能夠高達(dá)百瓦，與CO2氣體激光器相比，具有更好的止血和凝固作用，因此在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中經(jīng)常起手術(shù)刀的作用，它的作用是在解剖血管飽滿的組織時(shí)，使出血量極低。這類固體激光器能夠輸出脈沖能量相當(dāng)大的激光，并且激光在水和血紅蛋白中時(shí)很難被吸收，因此能夠滲透到很深的組織中。

由于Nd3+：YAG固體激光器通過(guò)倍頻技術(shù)可以得到波長(zhǎng)為532nm的綠色激光，且其穿透較淺，因而一般僅限于對(duì)較淺的血管性病變進(jìn)行治療，另外，倍頻Nd3+：YAG激光也可廣泛應(yīng)用于胃出血、血管瘤的的治療及顯微外科手術(shù)，對(duì)于由紅的染料顆粒所引起的文身、文唇等人為的皮膚色素變異亦具有一定的治療效果。