锋芒再露激光器

激光是20世纪人类最伟大的发明之一，已广泛应用于工农业生产、医疗、航空航天和军事武器等高新技术领域。激光是 “受激发射光”的简称，是在一定波长的光的激励下，某种化学物质中由于某种原因已经大量聚集在激发态的电子猝然回到基态时释放出大量光子，从而形成激光。激光不同于一般的光源，具有极好的单色性、很高的能量、很好的方向性和相干性。能够产生激光的材料称为激光材料，稀土元素在激光材料中的应用非常广泛。稀土激光材料通常是指固体激光材料，包括晶体、玻璃和光纤三种激光材料，其中以激光晶体居主导地位。

所谓激光晶体就是在光或电激励下能够产生激光的晶体，由发光中心和基质材料组成。激光晶体由基质和激活离子组成，其性能与基质、激活离子的特性关系密切。激光晶体可分为氧化物晶体、含氧酸盐晶体和氟化物晶体三大类。激活离子常用的有过渡金属离子和三价稀土离子两类，构成激光晶体的发光中心。过渡金属离子处于外层的3d电子，易受到周围晶体场的直接作用，所以在不同结构类型的晶体中，光谱特性差异很大。而三价稀土离子的4f电子受外层5s和5p电子的屏蔽作用，周围晶体场对它的作用较小，在不同晶体中的光谱特性变化很小，但晶体场的微扰作用使本来禁戒的4f电子跃迁成为可能，能产生窄带的吸收和荧光谱线。

稀土是制造优质固体激光材料不可缺少的成分。稀土激光材料与激光几乎同时诞生。1960年5月美国物理学家希奥多·梅曼首先在红宝石中发现激光，半年后索洛金和史蒂文森就制成了掺钐的氟化钙（Ca F2：Sm2+）激光器。其后又用掺钕的硅酸盐玻璃获得脉冲激光，从此开辟了具有广泛用途的稀土玻璃激光器的研究。1964年找到室温下能输出连续激光的掺钕的钇铝石榴石晶体（Y3Al5O12：Nd3+），这种晶体成为现在应用广泛的固体激光材料。

在激光工作物质中，稀土的作用十分重要，几乎所有稀土离子都能用作激光的发光离子。这与它们具有特殊的电子组态、众多可利用的能级和光谱特性有关。目前已发现的激光基质晶体有300多种，90%以上是掺入稀土作为激活离子的。稀土元素中已实现激光输出的有Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb共11种元素的三价离子和Sm、Dy、Tm共3种元素的二价离子。尽管激光晶体种类很多，但重要的不过数十种，真正得到实用还比较少。

稀土激光材料是激光系统的心脏，是激光技术的基础，由激光发展起来的光电子技术，在国民经济许多领域，如光通讯、医疗、材料加工 （切割、焊接、打孔、热处理等）、信息储存、科研、检测和防伪等方面获得了广泛应用。在军事上，稀土激光材料广泛应用于激光测距、制导、跟踪、雷达、激光武器和光电子对抗、遥测、精密定位及光通讯等方面，高功率激光材料可装备激光致盲武器，以及光电对抗等武器。

稀土特殊的激光性能是由于稀土离子的4f电子在不同能级之间的跃迁产生的。由于很多稀土离子具有丰富的能级和他们的4f电子的跃迁，使稀土成为激光晶体中不可缺少的激活离子，为高新科技提供了很多性能优越的高功率、LD泵浦、可调谐、新波长等掺稀土激光晶体。

历史上，科学技术的发明创造往往首先用于军事领域，激光也是如此。20世纪60年代激光刚出现，各国军事领域的科技人员就迫不及待地开始探索激光在军事上的应用。如今，激光已成功用于军事测距、目标指示与跟踪、激光制导、激光雷达等武器辅助系统或火控系统，使常规武器性能明显改善，威力大大增强。此外激光炮还是一种新型的战术武器，不仅能致盲、烧伤、还能拦截并摧毁洲际导弹。

激光测距是激光在军事领域发展最快、最成熟的一项应用技术。激光测距机是军用激光设备家族中的第一个成员，各种各样的激光测距机已成为各国武装力量火控系统中不可缺少的组成部分，手持式小型测距机也逐渐成为现代步兵的配套装备。

第一代激光测距机是红宝石激光测距，因其发射红光，隐蔽性差，对人眼有损伤，以及能量转换效率低，不能以高重复频率运转等原因被淘汰。第二代测距机采用YAG：Nd激光测距，优点是具有较高的能量转换效率，能以高重复频率运转，这对空防应用及战车火控系统来说至关重要，很快成为军用测距的主流装备，得到广泛应用。但其产生的激光对人眼不安全，在烟雾中传输性差，这些缺点限制了其进一步的研发。目前研制的人眼安全的第三代测距机有两类，一类是工作波长为10.6μm CO2激光测距机，另一类是工作波长为1.54μm的YAG：Er激光器或工作波长为2.1μm的YAG：Ho激光器。

图8-1 脉冲法激光测距的原理图

掺铒激光晶体能输出1730nm激光和1550nm激光，对人的眼睛安全，大气传输性能也较好，对战场的硝烟穿透能力较强，保密性好，不易被敌人探测，照射军事目标的对比度较大，可以制成军事上使用的对人眼安全的便携式激光测距仪。Er3+加入到玻璃中可制成激光玻璃，它是目前输出脉冲能量最大，输出功率最高的固体激光材料，它产生的1540nm的铒激光处于人眼安全波段，也可应用于通讯和测距等。

铒还被用作红外光变可见光的激光显示材料：如Na YF4：Yb3+，Er3+和Ba YF5：Yb3+，Er3+，可以把钕激光器发射的人眼看不见的1060nm的激光转换为可见光，因而可作为红外激光的显示、调试和准直，这类上转换材料已成功地用于夜视仪。此外，还开发出氟钇锂掺铒（Li YF4：Er）绿光等上转换激光材料。

Er3+还可用作稀土上转换激光材料的激活离子。铒激光上转换材料又分为单晶（氟化物、含氧盐）和玻璃（光纤）两类，如掺铒的铝酸钇（YAP：Er3+）晶体和掺杂Er3+的ZBLAN氟化物（Zr F4-Ba F2-La F3-Al F3-Na F）玻璃光纤等。Ba YF5：Yb3+，Er3+可将红外线转成可见光，这种多光子上转换发光材料已成功地用于夜视仪。

激光技术一问世就被用于医学研究和疾病诊疗，为研究生命科学和疾病的发生、发展开辟了新的途径，也为临床诊疗提供了崭新的手段。激光在医学上的应用发展非常迅速，已渗透到基础医学和临床医学的许多层面，并由此形成一门新的学科即激光医学。激光在生物组织中的传播、与生物组织之间相互作用所表现出的光学特性，生物组织在激光照射下会产生光热效应、光机械效应、光化学效应、光电磁效应及刺激效应等，是激光在生物医学中得到广泛应用的基础。固体激光器几乎参与到每一个外科手术中，是目前激光器的重要应用领域之一。常见的医用激光装置包括激光刀、激光内窥镜、激光照射器、激光凝固器、激光诊断仪。有报道称，美国2/3以上的门诊机构都拥有激光医疗设备，其中钬、钕激光医疗设备所占比例很大。

掺钕激光 （YAG：Nd）治疗设备已成功用于多种外科手术，这种激光器具有较高的重复频率和平均功率，由它产生的1.06μm波长的激光能够用柔软的石英光纤导光和传输能量，它发出的激光能瞬间产生200～1000℃的高温，手术止血效果好，防感染，操作简便，用于肿瘤、眼科、耳鼻喉科和前列腺手术均取得良好效果。

掺铒激光器在医疗方面也有很重要的应用，尤其是在当前非常时髦的美容换肤领域。

铒激光发射的激光波长为2.94μm，恰好位于水的最高吸收峰值，故能被人体组织中的水分子强烈吸收，比对10.6μm波长CO2激光的吸收率要大十多倍，因而可以用较小的能量获得较大的效果，能用来精准地切割、磨削和切除软组织，是目前唯一可用于皮肤治疗方面的激光。因为人体的皮肤组织含有大量水分，对2.94μm波长的光吸收率很高，而含色素成分较高的皮下组织及肌肉组织对此波长光的吸收率很低，使铒激光能够准确地将治疗能量及生物信息准确地传递到皮肤组织，达到有效的治疗目的，对皮肤周边的组织不产生影响。理论上能非常理想地引起浅层皮肤的快速升温，在热损伤最小的情况下，精确的汽化分离组织，并将碎片排出，热损伤被限定在30～50μm范围内，能大大减小对周围组织的损伤。这种技术就像一把微米刀一样一层层准确地将含有色素的皮肤组织祛除，皮肤组织恢复迅速，不会形成瘢痕，成为临床治疗各种皮肤色斑最有效的治疗手术方法。

图8-2 高速摄影下的Er：YAG激光与水相互作用过程

铒激光治疗仪特别适用于激光美容，是一种高水准的医疗器材。铒激光 “磨皮换肤术”作为当今高科技的美容术，效果比用其他种类激光好，比果酸脱皮好得多，因为它不影响皮肤正常的外观颜色和厚度，可以准确控制磨皮的多少和深浅。激光产生的热能还可以封闭血管，伤口不易感染，痊愈快。铒激光现已成为祛斑除皱，磨疤去痕，嫩肤美容医学的热门，尤其适合于脸部、颈部、手部的皱纹去除。同时也适用于轻度增生性疤痕、扁平疣、痤疮等，对老年斑等皮肤色素性疾病和毛发移植亦有理想的疗效。铒激光还用于治疗打鼾、美白牙齿及白内障摘除手术等，因为白内障晶体的主要成分也是水。

钬也可用来制作固体激光材料，其发射的激光 （波长2.14μm）也是理想的手术激光光源。钬激光用于治疗泌尿系统各种病症，利用其独特的热汽化作用，手术无切口、无并发症，不出血，术后疼痛轻，愈合快，可不住院。医学界称钬激光技术的应用是泌尿外科医疗划时代的技术革命，具有很大的市场潜力。

铥激光器输出波长在2μm左右，也是一种理想的手术激光光源。美国已批准20多种2μm激光在医疗临床使用，用于治疗多种疾病。

在医疗器械方面，用含稀土的激光材料制成的激光刀可作精细手术，由镧玻璃制作的光学纤维可用作光导管，用它能清楚地观察到人体胃部病变情况。

典型的、优良的激光晶体主要有钇铝石榴石系、铝酸钇、氟化锂钇等几种。高功率掺稀土激光晶体主要有掺钕钇铝石榴石 （YAG：Nd）、掺钕铝酸钇 （YAP：Nd）、掺铝钆镓石榴石 （GGG：Nd）和掺钕铝酸镁镧 （LMA：Nd）等。其中，YAG：Nd最重要，应用最广，用量最大。可调谐激光晶体利用Ce离子的宽带跃迁，从YLF：Ce和La F3：Ce等晶体中获得可调谐的紫外激光。用于LD泵浦激光器的晶体主要有YVO4：Nd、YAG：Nd、YLF：Nd等，其他合适的泵浦的晶体还有YAG：Yb等。

钇铝石榴石（Y3Al5O12，简称YAG）是人工合成的单晶，由三氧化二钇和三氧化铝按一定比例组成，是一类用途十分广泛的晶体材料，也是目前国内外研究、开发和应用最活跃的激光晶体基质。其中掺钕钇铝石榴石晶体 （YAG：Nd）性能最好，用途最广，产量最大，对其需求占激光晶体市场的90%左右。这种晶体具有良好的光学均匀性，机械强度高，物化性能稳定，导热系数高，激光性能良好及生长工艺成熟等优点，在室温下可实现连续和脉冲等多种方式的运转，其连续激光输出已达千瓦级，重复频率可达到每秒几千次，每次的输出功率也在千瓦级。重复频率为30次/秒的巨脉冲输出已达到兆千瓦级，用作重复频率高的脉冲激光器。还能输出多个波长，最强的是1.06μm。因而YAG：Nd激光晶体广泛用于激光打孔与焊接、激光测距、激光制导和医用激光手术刀等方面，也是军用固体激光技术的支柱材料，90%以上的军用固体激光器是以它为工作物质的。

YAG稀土激光器广泛用于制造各种稀土加工机，用于高强材料的精密焊接、切割、打孔、划片和微调等方面。激光焊接机是一种理想的精密焊接设备，可用于不锈钢和钨钼钽等难熔金属的点焊、缝缝和密封焊，定位准确，焊接强度高，适用于其他焊接方法无法满足的场合。激光切割打孔机能用来给金属、人造金刚石、陶瓷等高强度脆性材料进行切割和打孔，最小孔径可达几十微米。激光标记机能给金属和非金属材料进行光刻标记，能快速准确地在各种金属工具、半导体和电子元器件上刻划出产品规格、型号、图案等永久性的标记。激光划片机主要用于半导体硅片和陶瓷材料的精密切割，由于光学的聚焦光斑极小，能大大提高切割材料的利用率和切割质量。激光微调机可以对厚、薄膜电路进行精密修调，精度可以达到0.01%，是半导体元器件、集成电路生产中的关键设备。

近年来，掺镱钇铝石榴石 （YAG：Yb）激光晶体引起了人们很大的研究兴趣，源于Yb3+激活离子的能级结构简单，量子效率高，荧光寿命长，能有效地存储能量，适合做高功率固体激光增益介质的激活中心。国外很多机构实现了千瓦量级的YAG∶Yb全固态激光器，展现出向更高功率发展的势头。此外，近年来开发了效率更高的掺钕和铬的钆钪镓石榴石。

但YAG晶体也有一个重要缺陷，当它在高功率激光运转时，会因对泵浦光辐射的吸收引起热致双折射效应，最终导致退偏振损耗，影响激光器的最终输出功率或能量。

在铝酸钇（YAl O3，简称YAP）体系中，掺Nd的铝酸钇YAl O3：Nd（YAP：Nd）晶体的一个重要特性是输出激光的线偏振度高，在获得谐波振荡和激光调制方面具有优越性。晶体具有各向异性，可利用其不同取向得到不同的激光特性。晶体的热力学性能好，具有大大超过热应力双折射的自然双折射效应，高泵浦时的有害去偏现象很小。用这种晶体制造的高功率激光器有更高的单模输出效率 （约43%，而YAG：Nd仅15%）。在1.3μm波长上输出能量大，效率高，能获得双波长激光振荡和连续的双波长运转，激光波长为1079.5nm和1341.4nm。其缺点是在高温下存在相不稳定性，热膨胀系数各向异性，致使晶体在生长过程中易出现开裂、色心和散射颗粒等缺点。

氟化锂钇（YLF）是一种优良的激光基质，三价稀土离子可取代Y3+的格位，而无需电荷补偿，许多稀土掺杂入YLF晶体后都可以实现偏振激光的输出。它的优点是受光辐照后，不产生色心而变色，基质吸收的截止波长移向短波。YLF：Nd晶体荧光寿命长，发射截面积大，适合二极管的泵浦的激光晶体。YLF是低声子能晶体，比起YAG：Tm晶体激光器具有更低的上转换损耗。比起YAG：Tm晶体，YLF：Tm的荧光谱线要宽得多，而且发射波长在1.9μm波段处。

其他如掺钕硼酸钇钡YBa3（BO3）3：Nd3+等新型激光晶体，可产生1060nm波长的激光输出，用其制成的固体激光器也可用于光谱学、生物医学、军事等诸多领域。掺杂钬离子的铌酸锂 （LN）和钽酸锂 （LT）光学超晶格材料更是集优秀非线性光学性质和稀土离子丰富的光谱特性于一身，在单一泵浦光的激励之下，可同时实现准位相匹配倍频与频率上转换这两种截然不同的过程，获得上转换与倍频光的同时输出，填补了短波长激光器与双波长激光器研究中的一个空白，可望在全色显示、激光医疗、光通讯等领域发挥重要的作用。硼酸铝钕激光器，厚度不到1毫米的晶体就可产生1～10毫瓦连续输出功率或600瓦的脉冲功率。超磷酸钕Nd P5O14晶体，因其中Nd3+离子含量比掺钕钇铝石榴石高出4个数量级，这种激光器只需几十微米的尺寸即可提供激光。

在玻璃中能产生激光的稀土激活离子相对较少，目前已知有Nd、Er、Ho、Tm等元素的三价离子。稀土玻璃激光材料的优点是易于制备，利用热成型和冷加工工艺可制得不同尺寸和形状的玻璃，灵活性比晶体大，既可拉成直径小至微米的纤维，又可制成直径几厘米和长几米的棒或圆盘。掺钕或掺钬激光玻璃的输出脉冲能量高达105焦、输出功率高达1012瓦以上，是目前输出脉冲能量最大、输出功率最高的固体激光材料，用这种激光材料制成的大型激光器可用于热核聚变的研究。

钬还被用作化学计量激光材料，这种材料发现于20世纪70年代，其中稀土激活离子不是以掺杂的形式加入的，而是作为晶体的组分之一。其潜在的应用是在集成光学、光通讯、测距领域，与光计算机与半导体激光器会有一番竞争。

光纤激光器就是用光纤作激光介质的激光器，通常采用掺稀土元素的玻璃光纤作为增益介质，在泵浦光的作用下在光纤内形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级粒子数反转，当适当加入正反馈回路 （构成谐振腔）便可形成激光振荡输出。1964年世界上第一代玻璃激光器就是光纤激光器。由于光纤的纤芯极细，一般的泵浦源很难聚焦到纤芯，故在其后20多年里，光纤激光器进展不大。随着半导体激光器泵浦技术的发展及光纤通信发展的需要，1987年英国南安普顿大学及美国贝尔实验室通过实验证明了掺Er3+光纤放大器（EDFA）的可行性。它采用半导体激光泵掺Er3+单模光纤对光信号实现放大，业已成为光纤通信中不可缺少的重要器件。近年来，随着高功率半导体激光器泵浦技术和双包层光纤制作工艺的发展，光纤激光器的输出功率已经从最初的几百毫瓦上升到千瓦水平。应用范围包括激光光纤通讯、激光空间远距通讯、工业造船、汽车制造、激光雕刻、激光打标、激光切割、印刷制辊、金属非金属钻孔、切割、焊接、军事国防安全、医疗器械仪器设备、大型基础建设等。

与普通激光器相比，作为第三代激光技术代表的光纤激光器在光束质量、体积、重量、效率、散热等方面均有明显优势。在医疗上，光纤激光器可用于精确的外科手术、医疗成像和医疗整形美容。在空间技术方面，空间环境中温度、湿度变化大，辐射强和振动剧烈等问题，导致常规激光器难以满足需要，但光纤激光器具备克服以上恶劣空间环境的能力，有着巨大的潜在应用价值。目前在技术上成熟的百瓦量级以下的商品光纤激光器，可用于精密激光打标、雕刻、非金属的切割与小型元件的焊接等。采用常规组束技术制成的光纤激光器还可达到数千瓦的高功率，还依然能保持其体积小、重量轻、运行成本低、寿命长、效率高、柔性化操作的特点。