Nd-YAG激光器-高效固态激光系统

有许多使用固体介质的激光器，首先给出一个例子。熟悉固体物理的更多内容之后，再介绍另外一个例子。

下面的例子是钕/钇/铝石榴石（neodymium/yttrium/aluminium garnet）激光器，或者称为Nd-YAG激光器。

正如已经阐述过的，固态激光器的最大优点是，具有高密度原子，从而可以实现单位体积内的高输出。激光器介质以Nd-YAG棒的形式安装在腔体内。Nd是一种稀土元素，稀土元素的重要特性是其所有原子都有相同的外层电子结构。随着原子数增大，稀土级数增大，电子增加到内层而非外层能级上。结果是，所有的稀土元素都有类似的化学性质。然而，根据现在的观点，最重要的是能级间的跃迁出现在原子深层，这些跃迁被外层电子遮蔽，与原子环境相隔离。因此，可以将ND³⁺离子设置在YAG晶格中（置换约1.5%的钇原子）。固态晶格结构的强（力）场几乎不可能使受激发射使用的跃迁展宽。

使用的能级如图7.5所示，仍然是一个四能级系统，因此非常有效。习惯上，4F_3/2之上的能级都衰变到4F_3/2，所以利用一个宽光谱泵浦源就可以增加该能级（第2级）的粒子数。通常使用氪灯或氙灯。如图7.6所示，该泵浦源沿轴向、平行于Nd-YAG棒放置，激光跃迁是从4F_3/2（第2级）到4I_11/2（第1级），是在基态（第0级）之上的，很难增加粒子数（通常，F→I的跃迁几乎是完全禁止的，但非常高兴地注意到，在上述情况下，YAG晶格场的作用增大其发生概率）。正如有效粒子数反转所需要的（见本书6.2.4节），允许1→0（4I_11/2～4I_9/2）的跃迁，并且跃迁非常迅速。由于反转粒子态的粒子数减少得非常快（致密材料的结果），只要施加适当的高泵浦功率，就可以在1064nm波长（4F_3/2→4I_11/2）处得到高达千瓦级的CW功率输出。当全部产生该功率时，Nd-YAG棒变得非常热，因此必须用水（对于较高的输出功率）或空气予以冷却。

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图7.5　简化了的Nd-YAG激光器能级图

图7.6　Nd-YAG激光棒的闪光管泵浦图

这种激光器已经制造成以Q开关形式输出（见本书6.2.4.4节），并可在约10ns时间内可以提供能量为几毫焦的脉冲，这意味着峰值脉冲功率为兆瓦级。Nd-YAG激光器是一种在近红外光谱区提供高能量脉冲、非常方便的光源。由于脉冲较短，所以脉冲的峰值功率很高。稍后会看到，这完全是非线性光学范畴的内容，如可以很方便地使光学基频形成谐波。也可以将Nd-YAG激光器用于加工工艺，如金属的激光切割、焊接和成型。