固体激光器及其应用 梅遂生
间： 1960年，科学家梅曼用红宝石作为激光的工作物质，发 明了世界上第一台激光器。随着激光材料科学的发展，固体激光 器使用的工作物质有哪些变化？ 答：固体激光器是以晶体和玻璃材料为工作物质。常见的有 红宝石（掺铬的刚玉， Cr：Al2O3)、掺钛的磷酸盐玻璃（简称 钕玻璃）、掺钛的忆铝石榴石（Nd：YAG）、掺钛的铝酸忆（Nd： YALO）、掺钛的氟化忆锂（Nd：YLF）等多种。它们发出激光的 波长主要取决于掺杂离子，如掺铬的红宝石，室温下的工作波长 为694．3纳米，深红色；又如掺钕的多种晶体和玻璃，工作波长 为1微米多，为近红外。 在众多晶体中，Nd：YAG得天独厚。它的物理化学性能不错， 做成激光器时振荡阈值较低（以较小能量激励就可以振荡）、能量 转换效率较高，在室温下可以连续工作或以高重复频率脉冲方式 工作。它在近30年来一直得到广泛应用，小到手待式激光测距机， 大到几百瓦、上千瓦的激光加工机都用它作激光器的工作物质。 钕玻璃虽然由于导热率低和热膨胀系数大而不适宜于高平均 功率和连续工作，但是它具有晶体难以匹敌的优点，即：容易做 成光学质量非常均匀的大块材料，而且它的荧光谱线很宽，适 于用脉冲压缩技术将相当大的能量压缩在一个很短的脉冲里，从 而获得极高的峰值功率（因为脉冲峰值功率等于脉冲能量除以脉 冲宽度）。人们利用这一特点做成高峰值功率的激光器系统，用于 核聚变等研究工作。例如，美国利弗莫尔国家实验室的诺瓦系 统，在2．5纳秒内输出120千焦耳，峰值功率达48太瓦（48x 1012瓦）。它在一瞬间输出的功率比全世界所有发电厂发出的功率 总和还要高。 早期的一台固体激光器只能发射单一的或很少几个固定波 长，这远远不能满足不同应用的多样化需求。比如，探测水下木 标和水下通信需要0.48到0.54微米之间的蓝绿光源；光纤传输 需要1.3和1.55微米的近红外光源；光雷达需要波长连续可变 或频率捷变的光源；光存储需要蓝光光源；微细加工需要紫外和 X射线光源等等。这些需求刺激着科学技术工作者去寻求新波长 和波长可调谐的激光器，近10多年来，固体激光器在这方面的研 究开发工作十分活跃，取得了引人瞩目的发展，主要有两条途径： 一是寻求新的工作物质；二是利用非线性光学技术。
问：请您具体诙诙固体激光器在研究开发方面有什么新进 展？ 答：在新工作物质研究开发方面值得介绍的有三类，即：宽 波段连续可调谐晶体、自激发自倍频晶体和掺钬（Ho）的晶体。 宽波段连续可调谐晶体的特点是所掺激活杂质在基质晶体中 具有特殊的能级结构，它能在很宽的波段范围内产生受激辐射。 只要适当设计激光器的谐振腔，在其中插入一个可调谐元件，比 如光栅或分光棱镜，使它能在一定范围内调节谐振腔的谐振波 长，就能获得可调谐激光输出。最先实现可调谐的固体激光器是金 绿宝石（掺铬的铝酸被，Cr：BeAl2O4,又称紫翠宝石），其可调谐范 围是701一815纳米。80年代未，研制出了掺钛蓝宝石(Ti:Al2O3)，可 调谐范围是650-1100纳米。这种钛宝石激光器不仅可调谐范围宽，而且输 出能量大，还能做成超短脉冲激光器。但它需要用大功率氟离子 激光器或倍频的Nd： YAG激光器泵浦。这种激光器已被广泛困 于科研和新材料开发等领域，一时间供不应求。最近，研制出了 掺铬的氟铝锶锂（Cr：NiSAF）和氟铝锶钙（Cr：LiCAF），可调谐 范围分别为780一1010纳米和720-840纳米。它们的优点是可 以直接用闪光灯泵浦，结构较简单，从而较便宜。 自激活自倍频晶体是不必掺杂质就可以出激光，而且不用外 加非线性晶体就可以出倍频光的晶体，硼酸铝忆钕（NYAB）是这 类晶体的代表，它可以直接出绿光（0．53微米），可供高密度光盘 存储用。 掺钬的晶体包括掺钬、铥的忆铝石榴石（Ho： Tm： YAG）和 掺钬、饵、铥的氟化忆锂（Ho：Er：Tm： YLF）等晶体。它们的工作 波长都在2微米波段。这个波段的一个特点就是水分子对它有很 强的吸收：医学界利用这一特点，用钬激光器做浅表性手术，不致 伤及深层肌体，确保手术安全。而且这一波长可以用光纤传输，给 手术带来方便。用这种激光器做光雷达的发射机，则探测地面目 标时，容易将金属物品和水泥构件从绿色植被（草地、树木）中 分辨出来。因为绿色植被含有大量水分，对2微米波长的光强烈 吸收而反射很少，金属构件和水泥建筑物对2微米吸收小而反射 强，从而形成较强的反差。用电子学的行话来讲，就是可以提高 信号噪声比，大约可提高8倍。这个波段还有一个优点，就是对人 眼安全。它对人眼的损伤阈值约比Nd：YAG的1．06微米高两千 倍（损伤阈值越高就越安全）。顺便说一下，激光的人眼安全问题 无论对军用还是民用，无疑都是十分重要的。人们为此制订了一 些安全防护规则，研制生产了激光防护眼镜，同时积极寻求对人 眼安全的激光器。当然，以人眼致盲为目的的激光武器，则专门 选用对人眼损伤阈值最低的波段，即可见光的黄绿光波段。波 长为1．06微米的Nd：YAG二次倍频后，波长变为0．532微米，恰 恰处于人眼最敏感的波段。对于这个波长的激光绝对不能直视， 即便是照射在漫反射的白墙上也要尽量不去观看，以免烧伤视网 膜。最近，国际上已有人谋求订立一个国际公约，像禁止使用化 学武器和核武器那样禁止使刚激光致盲武器。因为它虽然是非致 命性的，然而却能使人终生残废，痛苦异常。 另外，利用非线性光学技术，也是提高固体激光器性能的重要 途径，因此近来研究工作十分活跃。值得一提的是，我国发明的 偏硼酸钡（BBO）和硼酸锂（LBO）以及我国拥有先进生长 工艺的磷酸氧钛钾（KTP）等晶体对非线件光学的广泛应用作出 ”积极贡献。利用非线性晶体呵以做成谐波发生器，或你倍频器， 把激光器产生的波长（基波）变成二次、三次甚至更高次谐波。比 如，把Nd：YAG产生的1．06微米变成0．532、0．355和0．266微 米。还可以利用和频、差频、混频等原理获得其它波K的川l＝ 光。此外，利用类似‘j：电于技术中的参量振荡和参量放大的原 理，用激光器加非线性晶体可以做成宽带调谐的参量振荡器或参 量放大器，获得宽带呵调谐相十光输出。 90年代初，已有这类商 品上市，其可调谐范围极宽，可达400纳米至2000纳米，最大脉 冲输出100毫焦耳。如果加上倍频等」卜线性光学技术，可调谐他 围可从200纳米（紫外线）到4微米（中波红外线）。像这样宽波段 连续可调谐而又肩“较大输出的相十辐射源，在10年前是难以想象 的。
问：据报道，在商用激光器中二极管泵浦的固体激光器的崛 起十分引人注目，并日益受到重视，、在近几年的世界激光市场上 它的销售量和销售额均独占鳌头。这种二极管泵浦的固体激光 器，到底有什么优异的特性呢？ 答：的确，固体激光器近年来另一个重大进展是以半导体二 极管及其阵列取代气体放电灯作为泵浦源。大家知道，激光的能 量不是工作物质自身产生的，是受其他形式能量激励（泵浦）被 吸收后转换而来的。然而，已往常用的气体放电灯，比如氛弧灯 和佩闪光灯，发射的是连续光谱，从紫外、可见光到红外，能量分 散，只有不到），分之一一的能量被激光晶体吸收，因而固体激光器 的效率只有百分之几，有时还不到百分之…·，绝大部分灯泵能量 不仅浪费了，而且给器件加热变成有害因素。而且气体放电灯的 寿命不长，…·般来说，连续工作的氛弧幻“的寿命为200至400小 时，脉冲工作的氖闪光灯的寿命为100至1000万次，需要定期更 换。而用作泵浦的大功率：、1＝极管激光器，其工作波长可以在制造 时调节好，使其对准激光晶体的吸收峰。使用时，还可通过制冷 器调节二极管的工作温度对其工作波长进行微调。比如， Nd： YAG的吸收峰之一是808纳米，如果二极管正好工作在这个波 长，那么，其输出将全被N山YAG晶体吸收，从而大大提高激 光器的能量转换效率。同时，二极管的寿勉可以做到几万小时或 更长，不需经常更换。因此，二极管泵浦的固体激光器同灯泵固 体激光器相比，效率可提高10倍，呵靠性可提高100倍。此外， 前者还具有体积小。重挝轻、输出稳定等许多优点。原则上，不 仅现有各种灯泵的固体激光器都可以改为、＝极管泵浦，而且还将 出现新型固体激光器，比如把激光晶体做成微片同二极管泵组合 起来的微片激光器。目前，小功率的二极管泵浦固体激光器已实 用化，百瓦级的已不罕见，至少已有‘三家做出了1000瓦以L的 器件。 二极管泵浦的光纤放大器和光纤激光器是、一类新型固体激光 器。它的工作物质是做成光学纤维的掺杂玻璃或掺杂晶体，其工 作原理同普通固体激光器相同，只不过：［作物质是纤维状，很容 易同传输信息的光纤耦合，从而进入光纤通信、光纤传感和光纤 信息处理系统，发挥其独特作用。 二极管泵浦的固体激光器的出现是激光器发展史上阶一个重 要电程碑。它把半导体、骰管的优点同固体激光器的优点结合起 来，形成性能优越的全固体化激光器。不过，目前半导体二极管 及其列阵的售价比气体放电灯昂贵得多，暂时只限于较小范围使 用。随着二极管制造工艺的进一步改进和生产规模扩大，二极管 泵浦的固体激光器的产量将日益增长，应用将日益扩展。也许就 在世纪之交，由灯泵主宰固体激光器的时代将让位给了：极管泵来 主宰。
问：固体激光器的应用范围和发展前景如何？ 答：固体激光器的应用范围是同它的特点和发展水平分不开 的。固体激光器的特点大体上可归纳为：有较大的输出功率和较 紧凑的结构。直到80年代末期，固体激光器的应用主要集中在科 研与什发、加工、医疗和军用等四个力“面。 在科研、汗发方面，涉及面很广，包括作核聚变研究的高峰 值功率激光器系统、作光谱研究和新材料开发用的超短脉冲激光 器和可调谐激光器以及由同体激光器泵浦的染料可调谐激光器、 作脉冲全息摄影用的红卞石激光器、作高速摄影用的超短脉冲激 光器、测人造地球11星轨迹和）球表面用的高精度激光测距仪、 遥感用的激光雷达等等。 在加工方面，主要用Nd：YAG激光器，平均功率从瓦级至 千瓦级，用于打孔、切割、划片、焊接、阻值微调、打标和表面改 性等。激光加工不仅极大地提高了工效和质量，而且有些加工工艺 非激光莫属。例如吉列牌剃须刀片，每个刀片厚度仅0.1毫米， 要用13个焊点焊在0.2毫米的托架上，就是用一台激光焊接饥 在半秒钟内完成的。刀片焊f！I、点也个变形，其它厂艺很难做到。 生产占列剃须刀的公6拥有6（）台这样的激光焊接机，年产1／二 个剃须刀，获利颇l＝。在微电厂工业中曳有不少卫序离个汗激光 加工。在德国，近几年在汽午丁业中兴起厂激光幻111：热，特别足 固体激光力11入受到卫大屯砚，冈为它可用柔软的光纤传输能喧， 容易同机器人结合，实现：维空间的切割和焊接。 .在K疗人面，主要用于外科手术、眼科治疗，兼及皮肤科、M 科、牙科。近年来曳利用固体激光易于通过光纤传输的优点，发 展了内窥镜手术。激光医疗不仅减轻了患者的痛苦，而且许多手 术比传统手术简便易行，不需住院，在【‘！诊即可完成，因而可以 节约大量医疗费用。 在军用方面，主要用于测距和目标指示。前者广泛用于步兵、 炮兵、装甲车辆、飞机、舰艇，不仅用于观测目标距离，更多的是 成为火力控制系统的一部分，大大提高火炮的酋发命中率。后者 用于激光半主动制导，成为精确制导武器的“眼睛”。例如1991年 海湾战争中，多国部队的飞机大量使用了激光制导的航弹，高精 度地摧毁厂伊拉克的许多重要军事目标。 进入90年代，随着固体激光器性能的改进，”之不仅在原有的 四个应用领域的竞争力明显增强，而且开辟了一·些新的重要应 用领域。 首先是二极管泵浦的固体激光器进入了信息传输领域。随着 有线电视（CATV）等活动图像信息传输的迅速增长，作为发射源 的半导体激光器已满足不了大功率和低失真的要求，转而部分采 用大功率（几十毫瓦至一百多毫瓦）低噪声的二极管泵浦的Nd： YAG激光器，其波长为1． 31微米，被传输的信号则用宽带妮酸 狸调制器进行外调制加上去。这种光源1993年全球销售了4000 多台， 1994年预测可增至5000多台。 其次是二极管泵浦的固体激光器进入分色、制版等印刷行业， 开始在这新领域中占有一一席之地。 再次是随着环境监测的重要性日益提高，基于固体激光器的 测风雷达、测污雷达等传感器有明显的增长。 高峰值功率固体激光器可用于产生调光激光。近年来这方面 的工作也有重大进展。用固体激光激励产生的调光激光将逐渐 广泛地应用于微细加工等领域。 综观上述进展，我们有理由相信固体激光器，特别是二极管 泵浦的固体激光器，包括高功率的和可调谐的固体激光器将有越 来越宽广的应用前景。它们将变得日益成熟、日益廉价，不仅更 多地进入实验室，进入工厂一车间和医院，进入各种军事装备，而 且会进入办公室、商店，甚至进入家庭。世纪之交即将来临，让 我们对固体激光器及其应用的进一步发展拭目以待。(待校对)
《世纪之交:与高科技专家对话》
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