陶瓷材料、摻雜過渡金屬的Ⅱ-Ⅵ族材料以及光泵浦半導(dǎo)體激光器，正在將固體激光器的工作范圍向新的波長和更高的功率擴(kuò)展。

盡管固體激光器的泵浦源和諧振腔設(shè)計(jì)已隨著時間的推移不斷發(fā)展變化，但是其工作物質(zhì)的發(fā)展卻相對緩慢。固態(tài)物理學(xué)是一門復(fù)雜的學(xué)科，對于商業(yè)應(yīng)用來講，改進(jìn)和優(yōu)化現(xiàn)有的激光材料（如玻璃、YAG和YLF），早已比研發(fā)新型激光材料具有更低的成本，而且也更容易實(shí)現(xiàn)。

然而，隨著近幾十年來基礎(chǔ)研究的發(fā)展，人們對激光材料有了更好的理解，上述情況正在發(fā)生改變。新型固體激光器正在跨越實(shí)用化的門檻，其中包括光泵浦而非電驅(qū)動的半導(dǎo)體激光器。目前，以三種新型材料為增益介質(zhì)的新一代固體激光器日益引起了人們的關(guān)注：陶瓷激光器、摻雜過渡金屬的Ⅱ-Ⅵ族晶體（如硒化鋅）激光器和光泵浦半導(dǎo)體激光器（OPSL)。

陶瓷激光器

陶瓷是多晶材料，由許多小的、方向隨機(jī)的小顆粒熔化而成。日常生活中常見的陶瓷是不透明或半透明的，這是因?yàn)樗鼈儍?nèi)部存在很多對光產(chǎn)生散射的瑕疵。但是如果能夠小心謹(jǐn)慎地將這些顆粒熔化在一起，并保持足夠清潔，消除大部分散射瑕疵，這樣制備出的陶瓷的透明度便足以滿足很多光學(xué)應(yīng)用的需求。

陶瓷激光材料的測試研究始于20世紀(jì)60年代，但此后陶瓷激光材料并沒有得到人們的足夠關(guān)注。直到1995年，日本名古屋World Lab的Akio Ikesue報(bào)道了一種Nd：YAG陶瓷激光器，其性能完全可以與單晶激光器的性能相媲美。這在業(yè)界掀起了陶瓷激光器研究的熱潮。[1]

陶瓷具有很多優(yōu)點(diǎn)，與采用傳統(tǒng)熔體凝固方法生長的單晶材料相比，陶瓷能夠制備成更大的尺寸。陶瓷材料中能夠摻雜更高濃度的激光離子，制備成光纖形式，并能夠制造單晶材料生長無法實(shí)現(xiàn)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。研究人員希望當(dāng)技術(shù)完全成熟后，陶瓷生產(chǎn)能夠比傳統(tǒng)晶體生長更便宜。此外，研究人員還希望通過一種稱為固態(tài)晶體生長的處理過程，將一些微晶陶瓷與種子晶體相接觸進(jìn)行燒結(jié)，將它們轉(zhuǎn)變成單晶。

研究人員已經(jīng)對Nd：YAG陶瓷進(jìn)行了大量研究工作。研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的單晶YAG相比，多晶YAG陶瓷具有更好的熱光和光機(jī)械性能。陶瓷Nd：YAG似乎有望輸出更高的功率。美國勞倫斯•利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室研制的固體熱容激光器，其采用Nd：YAG 陶瓷放大器，產(chǎn)生的平均功率達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的67kW（見圖1）。[2] 2008年9月，美國國家研究委員會發(fā)表的一份報(bào)告指出，陶瓷平板激光器是近期可用作對抗火箭、大炮和迫擊炮武器的固體激光器。[3]

圖1：勞倫斯•利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室研制的固體熱容激光器，采用陶瓷平板放大器，產(chǎn)生的平均功率達(dá)到67kW

一些利用傳統(tǒng)單晶生長技術(shù)不能生長的材料，也可以制成陶瓷，特別是“三氧化二物”，如Lu2O3、Sc2O3和Y2O3。它們能夠摻雜稀土激光離子，并且熔點(diǎn)高于2400℃。Ikesue在2008年12月《Nature Photonics》上發(fā)表的綜述文章中介紹說，三氧化二物陶瓷所具有的高熱導(dǎo)率和寬帶寬，使其有望用在高功率和超短脈沖激光器中。[4]最近的研究表明，摻鐿Lu2O3陶瓷的光泵浦斜率效率已經(jīng)達(dá)到86％。[5]

Ikesue認(rèn)為，陶瓷激光器技術(shù)仍在發(fā)展，但它們已經(jīng)獲得了“傳統(tǒng)單晶技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的激旋光性能”。

摻雜過渡金屬的Ⅱ-Ⅵ族中紅外激光器

20世紀(jì)90年代中期，業(yè)界首次展式了摻雜過渡金屬（如鉻、鐵）的寬禁帶Ⅱ-Ⅵ硫族化合物中紅外激光器。[6]美國阿拉巴馬大學(xué)伯明翰分校的研究人員在最近發(fā)表的一篇綜述文章中指出，這些材料的光譜和激旋光性能“與鈦寶石在中紅外波段的性能非常類似”，這使它們對激光器的發(fā)展頗具吸引力。[7]

早期的工作集中在硒化鋅（ZnSe）上，這是由于硒化鋅研究比較成熟、成本低廉并且在寬波長范圍內(nèi)都具有透明性。該類材料中研究最多的是Cr2+：ZnSe，能夠采用二極管泵浦，輸出波長范圍1.9～3.1µm。在該波長范圍內(nèi)，大部分器件可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，并且光學(xué)轉(zhuǎn)換率能超過60％。阿拉巴馬大學(xué)的研究小組與Photonics Innovations和空軍研究實(shí)驗(yàn)室合作，通過優(yōu)化材料質(zhì)量，采用薄板增益介質(zhì)改善熱性能，最近獲得了13W的連續(xù)輸出，這個輸出功率值受到了泵浦功率和熱管理的限制。

ZnS的屬性也非常具有吸引力。與ZnSe相比，ZnS具有更高的熱導(dǎo)率和更好的抗光學(xué)損失性能，但是ZnS的過渡金屬摻雜技術(shù)還不太成熟。阿拉巴馬大學(xué)的研究人員Sergey Mirov：“我們相信ZnS具有美好的未來”。他的研究小組已經(jīng)在摻鉻ZnS上獲得了成功，利用非選擇性諧振腔獲得了超過10W的輸出功率，并在1.95～2.85µm的范圍內(nèi)獲得了超過7W的調(diào)諧輸出。另一種有希望的材料是摻鐵ZnSe。Fe2+：ZnSe已實(shí)現(xiàn)了室溫下的激光輸出，量子級聯(lián)激光器是目前在3.7～5.1µm范圍內(nèi)最佳的可調(diào)諧激光器，Mirov對室溫下Fe2+：ZnSe在該波長范圍內(nèi)獲得更寬的調(diào)諧性表示樂觀。

Mirov認(rèn)為功率水平還能進(jìn)一步提高。“我們正在考慮獲得幾百瓦、甚至更高的功率輸出”。他也在期待新的應(yīng)用，例如利用摻鉻硫化物激光器可調(diào)諧的優(yōu)點(diǎn)，將其工作波長調(diào)諧到或調(diào)諧出強(qiáng)的水吸收帶，從而使激光外科手術(shù)刀能夠改變進(jìn)入組織的滲透深度。

光泵浦半導(dǎo)體激光器

摻雜的Ⅱ-Ⅵ族化合物可能最終能夠采用電泵浦，但是對始于20世紀(jì)90年代的其他OPSL，電泵浦卻不是必要的。[8]這類裝置也被稱作VECSEL（垂直外腔面發(fā)射激光器），該名稱突出了其與VCSEL的密切關(guān)系。

研究人員為了改進(jìn)電激發(fā)垂直腔面發(fā)射激光器的功率限制，利用復(fù)雜的外部結(jié)構(gòu)控制電流。光泵浦半導(dǎo)體激光器保留了布拉格反射器作為VCSEL的后腔鏡，以及通過激活區(qū)的量子阱發(fā)射激光（見圖2）。然而，激光發(fā)射不是通過二極管結(jié)處的載流子復(fù)合，而是通過泵浦二極管照射盤片表面進(jìn)行泵浦。OPSL采用外腔，即輸出鏡與半導(dǎo)體分離，這樣就留下了空間以放置諧波發(fā)生器等腔內(nèi)光學(xué)組件。

圖2：一個二級管激光泵浦源（圖中未畫出）照射附著于熱沉的半導(dǎo)體盤片，泵浦激活區(qū)的量子阱（插圖）。光泵浦半導(dǎo)體激光器在外腔中產(chǎn)生振蕩，諧振腔內(nèi)可以加入諧波發(fā)生器等腔內(nèi)光學(xué)組件。后腔鏡是位于OPSL背面的布拉格反射鏡。

與電復(fù)合相比，光泵浦能夠激發(fā)更寬的區(qū)域，產(chǎn)生更大的發(fā)射面積，從而提供更好的光束質(zhì)量和更高的功率。而且，其另一個最大的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)υ鲆娼橘|(zhì)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以獲得所需的吸收帶和發(fā)射波長。

相干公司將該技術(shù)商品化，并在去年憑借輸出3W的577nm黃光OPSL獲得了PhAST/Laser Focus World創(chuàng)新獎，該波長與氧絡(luò)血紅蛋白的吸收峰相匹配。產(chǎn)生該精確波長能夠?qū)⒓す饽芰考性谔悄虿?、視網(wǎng)膜病和濕性黃斑變性所影響的視網(wǎng)膜組織中，這是一個重要的醫(yī)學(xué)進(jìn)展。577nm激光是通過對輸出波長為1154 nm的OPSL光束倍頻產(chǎn)生的。

由于光泵浦設(shè)計(jì)靈活強(qiáng)大，因而已被用于許多各種不同的III-V族半導(dǎo)體，基頻輸出從紅光的640nm到紅外的2.3µm?；l功率可達(dá)幾十瓦，二次諧波功率可達(dá)約20W（見圖3）。這類激光器結(jié)構(gòu)簡單緊湊，并且能夠設(shè)計(jì)成激光波長滿足特定應(yīng)用的要求，包括臨床治療，并能替代體積更大、成本高昂的488nm氬激光器。#p#分頁標(biāo)題#e#

圖3：光泵浦半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的波長和功率

研究人員表示該領(lǐng)域正在迅速發(fā)展。三次和四次諧波產(chǎn)生正在將輸出波長向更深的紫外波段推進(jìn)，這在小型光刻系統(tǒng)中具有潛在應(yīng)用價值。研究人員正在研究基頻輸出在1.9～2.8µm的光源，目前已實(shí)現(xiàn)了980nm二極管泵浦的砷銻化鎵銦（GaInAsSb）單片的2.3 µm波長輸出，[9]其應(yīng)用前景包括人眼安全波長的傳感和自由空間通訊。

展望

固體激光器的傳統(tǒng)激活離子，如釹和鐿遠(yuǎn)未到被淘汰的時候?？煽康男阅芎统墒斓募夹g(shù)使它們能夠占據(jù)一定的位置。但是隨著陶瓷激光器的發(fā)展，它們可能以不斷增加的形式出現(xiàn)，并實(shí)現(xiàn)更高功率。

參考文獻(xiàn)：
1. Z. Liu et al., IEEE Phot. Tech. Lett. 18(12) (2006).
2. C. Gmachl et al., Nature 415, p. 883 (2002).
3. S. Howard et al., IEEE Sel. Top. Quant. Elect. 13(5) p. 1054 (2007).
4. Y. Bai et al., Appl. Phys. Lett. 92, p. 101105-1 (2008).
5. G. Wysocki et al., Appl. Phys. B 92, p.305 (2008).
6. T. Day et al.,“Miniaturized external-cavity quantum-cascade lasers for broad tunability in the mid-infrared,”CLEO and 2006 QELS (May 2006).
7. R. Maulini et al., Appl. Phys. Lett. 88, p. 201113, 2006.
8. www.daylightsolutions.com.
9. T. Risby and S. Solga, Appl. Phys. B 85, p. 421 (2006).
10. MIRTHE (mid-InfraRed Technologies for the Health and Environment), an NSF Engineering Research Center headquartered at Princeton University (www.mirthecenter.org).