1.激光谐振腔的品质因数Q

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7.1.1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)。

固体工作物质是固体激光器的核心。影响工作特性的关键是工作物质的光谱特性。最常用的是红宝石和掺Nd 3+激光器。

1) 红宝石激光器

工作物质为Al 2O 3＋Cr 2O 3，Cr 3＋决定光谱性能，从红宝石中铬离子的能级结构图（7.1.2）红宝石激光器为三能级系统，激光谱线：0.6943μm+0.6929μm ；0.6943μm 占优势。泵浦源为脉冲氙灯。由于固体激光器的工作物质是绝缘晶体，所以一般用光泵浦源激励。

优缺点：阈值高、温度效应非常严重、室温下不适于连续和高重复率工作。

图7.1.1 固体激光器的基本结构示意图

图7.1.2 红宝石中铬离子的能级结构

2) Nd 3＋

:YAG 激光器 突出优点：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。

Nd 3＋: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Nd 3＋:YAG 的量，远远超过其它固体工作物质。可以说， Nd 3＋:YAG 从出现至今，大量使用，长盛不衰。

工作物质:将一定比例的A12O 3、Y 2O 3，和Nd 2O 3在单晶炉中进行熔化结晶而成的，呈淡紫色。它的激活粒子是钕离子(Nd 3＋)， YAG 中Nd 3＋与激光产生有关的能级结构如图7.1.3所示。它属于四能级系统。

2. 固体激光器的泵浦系统

1) 固体激光工作物质是绝缘晶体，一般都采用光泵浦激励。泵浦光源应当满足两个基本条件。

2) 常用的泵浦灯在空间的辐射都是全方位的，因而固体工作物质一般都加工成圆柱棒形状，所以为了将泵浦灯发出的光能完全聚到工作物质上，必须采用聚光腔。

3) 图7.1.4所示的椭圆柱聚光腔是小型固体激光器中最常采用的聚光腔，它的内表面被抛光成镜面，其横截面是一个椭圆。

4) 固体激光器的泵浦系统还要冷却和滤光。常用的冷却方式有液体冷却、气体冷却和传导冷却等，其中以液冷最为普遍。

5) 泵浦灯和工作物质之间插入滤光器件滤去泵浦光中的紫外光谱。

图7.1.3 Nd 3＋

:Y AG 的能级结构

3. 固体激光器的输出特性

1. 固体激光器的激光脉冲特性

一般的脉冲固体激光器产生的激光脉冲是由一连串不规则振荡的短脉冲(或称尖峰)组成的，各个短脉冲的持续时间约为(0.1~1)μm ，各短脉冲之间的间隔约为(5~10) μs 。泵浦光越强，短脉冲数目越多，其包络峰值并不增加。

2. 转换效率

总体效率定义为激光输出与泵浦灯的电输入之比。对于连续激光器(用功率描述)和脉冲激光器(用能量描述)分别表示为：

(7.1.1) (7.1.2)

4. 新型固体激光器

1. 半导体激光器泵浦的固体激光器

半导体激光器泵浦固体激光器的结构，有如图7.1.5(a)所示的端泵浦方式和图

7.1.5(b)所示的侧泵浦方式。

图7.1.4 椭圆柱聚光腔 cou ab c L p in th in out t P P P P ηηηηηννη1211⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-==cou ab c L p

in th in out t E E E E ηηηηηννη1211⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=

=图7.1.5 半导体激光器泵浦固体激光器的结构示意图

半导体激光器泵浦固体激光器与闪光灯泵浦固体激光器相比有其主要优点，如结构紧凑、寿命长、稳定性强、体积小、热效应小、更加环保等。

2. 可调谐固体激光器

可调谐固体激光器主要有两类，一类是色心激光器，一类是用掺过渡族金属离子的激光晶体制作的可调谐激光器。

3. 高功率固体激光器

高功率固体激光器主要是指输出平均功率在几百瓦以上的各种连续、准连续及脉冲固体激光器，它一直是军事应用和激光加工应用所追求的目标。

从二十世纪七十年代起开始研制的板条形固体激光器，就是针对克服工作物质中的热分布及其引起的一系列如折射率分布、应力双折射等固有矛盾而提出的一种结构方案，其结构如图7.1.6所示。

图7.1.6 板条形固体激光器结构示意图