在固体激光器中最有实用价值而又比较成熟的是红宝石、钕玻璃和掺钕钇铝石榴石激光器。用于激光焊接的固体激光器主要是Nd∶YAG（neodymium：yttrium，aluminumgar-net）激光器。掺钕钇铝石榴石激光器可以是脉冲的，也可以是连续的。这类激光器的特点是输出功率高、体积很小而结构牢固；其缺点是光的相干性与频率的稳定性差些，不如气体激光器。

1.固体激光器的基本结构

固体激光器主要由激光工作物质（红宝石、YAG或钕玻璃棒）、聚光器、谐振腔（全反镜和输出窗口）、泵浦光源、电源及控制设备组成。

工作物质是激光器的核心，是用来产生光的受激辐射的。激光器的工作物质分为基质和激活物质两部分。激活物质是发光的，基质是镶嵌激活物质的。激活物质一般是过渡金属（如Cr、Co、Ni等）、稀土金属（如Nd、Sm、Ce、Er等）、锕系金属（如Ae、Th、U等）等的离子。基质中一般要求掺入的离子和基质的离子半径相近，价态相同，这样就可以得到性能较好的材料。

掺Nd^3+钇铝石榴石是一种晶体，它是在钇铝石榴石晶体中加入少量Nd₂O₃得到的。钇铝石榴石的分子式为X₃Al₅O₁₂，简称为YAG。Nd^3+是激活物质，YAG是基质。Nd³+在晶体中取代了部分钇原子。一般Nd³+的含量约为1%原子比，所以写成分子式为Y_2.97Nd³₀+.03Al₅O₁₂，简写为Nd^3+YAG。

激活物质Nd^3+的能级有四个，属于四能级系统。四能级系统的工作原理如图6-4所示。由图中可见，当氙灯激发时，部分钕离子吸收光能从基态激发到E₄。激励到E₄上的粒子又很快以无辐射跃迁方式回到E₃。E₃是亚稳态能级，寿命较长。在E₃上能积累粒子。只要光系较强就可以实现E₃与E₂间的粒子数反转。因此光泵只要往能级E₄上激发少量粒子，就能实现E₃与E₂间的粒子数反转。

2.泵浦光源

泵浦光源又称为激励源，用来激励工作物质，以获得粒子数反转分布。固体激光器是用光来激励的，所以也称光源，一般是氙灯、氪灯等。

图6-4 四能级系统的工作原理

（1）泵浦光 对于固体激光器，最通用的泵浦手段是光泵。在脉冲固体激光器中，一般都是采用脉冲氙灯作光泵。常用氙灯的几种形状如图6-5所示。现在用得最多的是直管形。在使用中要考虑到光谱匹配的问题。在连续固体激光器（即Nd^3+YAG激光器）中，用作连续光源的有氪灯、碘钨灯、连续发光的氙灯。在小功率时，碘钨灯输出功率高；大功率时可用氪灯和氙灯，氪灯比氙灯好一些。

图6-5 氙灯的几种形状

a）螺旋形 b）直管形 c）Ⅱ形

（2）二极管激光器 作为固体激光器的泵浦源，用于激发高功率Nd∶YAG晶体。采用直接二极管阵列激发输出波长在近红外区域的激光，其平均功率已达1kW，光电转换效率接近50%。二极管还具有更长的使用寿命（10000h），有利于降低激光设备的维护成本。

3.聚光器

为了更好地利用光泵发出的光，把光泵发出的射向四面八方的光反射回工作物质，在固体激光器中还采用了聚光器。聚光器就是一个光的反射器。它可以使光泵发出的光的80%汇聚到工作物质上。

用聚光器的目的就是把离散的光经聚光器的反射集聚到工作物质上，以提高效率。因此要求聚光器的形状有利于把更多从光泵来的光汇聚到工作物质上去，并且聚光器内表面镀的反射涂层对工作物质吸收峰处的光应具有高的反射率，内表面应进行抛光，以减少对光的散射。

聚光器的形状有许多种，常用的有椭圆柱形（包括双椭圆柱形）和圆柱形（包括双圆筒形），如图6-6所示。由图中可见，在椭圆形聚光器中，工作物质放在椭圆的一个焦点上，氖灯则放在另一个焦点上。由双椭圆组成的聚光器，四个反射镜具有共同的焦点，工作物质就放在这个共同的焦点上，这样工作物质就集中了从四个氙灯所发射出来的光，效率大为提高。(www.daowen.com)

聚光器的材料一般要求是质密易抛光、散热性好、热变形小的材料，目前采用的有铝、铜、玻璃等，其中以铜为最多。

聚光器内的镀层多采用金属镀膜。常用的金属有金、银、铝等，以提高反射率。

图6-6 聚光器的两种类型

a）圆柱形 b）椭圆柱形

4.谐振腔

谐振腔一般是用两块互相平行的多层介质膜平面镜组成，它可以使沿轴向的光子经反射回到工作物质中，产生受激辐射，得到许多频率、传播方向、相位、偏振都相同的光子，即使沿轴向的光子产生振荡放大，而其他方向的光子经反射后即很快地消失。这样一方面起到振荡放大的作用，另一方面也改善了输出的方向性，还起到了改善单色性的作用。

谐振腔的种类很多，在固体激光器中最常用的是两块相互平行的平面反射镜组成的平面谐振腔，两平面间的平行误差角度不得超过10＂。平面反射镜也有两种方式：一种是在晶体工作物质经过加工的两端面涂上金属膜或多层介质膜，其中的一端做成全反射的，另一端则做成半反射的反射镜，有时也采用在被覆层中开一小孔的方法代替半反射镜；另一种方式是在光学玻璃的基板上镀上一层反射膜层，做成可调换的反射镜，即工作物质和平面反射镜是分开的。这两种方式在实际中都有应用。但大多采用多层介质膜，并且可以根据需要（如波长）制成各种不同反射率的膜层。

5.水冷系统

常用的办法是把光泵、电极、工作物质和腔体都通水冷却。冷却方式分为全冷式或分冷式两种。

为了使光泵发光还需要有一套供电线路，这样就构成了一个完整的固体激光器。

图6-7所示为脉冲固体激光器的结构。脉冲固体激光器的简单工作过程是：当电容器充电有高压之后，用一个几万伏的脉冲高压，使灯管内形成火花，把储存在电容器中的电能释放出来，使氙灯发光，一部分直接照射到工作物质上，另一部分经聚光器的一次或多次反射再汇聚到工作物质上。汇聚到工作物质上的光能一部分被工作物质吸收，把低能级的粒子激发到高能级，使工作物质处于粒子数反转状态。在谐振腔的作用下，当输入能量足够强时，放大作用超过损耗，就可以产生振荡，输出激光。

图6-8所示为Nd∶YAG激光器的结构。Nd³+∶YAG的主要优点是易于实现粒子数反转，所需的最小激励光强度小。同时，掺钕钇铝石榴石晶体具有良好的导热性，线胀系数小，适宜于在脉冲、连续和高重复率三种状态下工作，是在室温下唯一能连续工作的固体激光工作物质。它的光泵采用氙灯，由于氙灯发射的波长为0.75μm和0.8μm的光谱线最强，这正好与Nd³+的强吸收带相匹配。YAG激光器输出激光的波长为1.06_μm，是CO₂激光波长的1/10。波长较短有利于激光的聚焦和光纤传输，也有利于金属表面的吸收，这是YAG激光器的优势，但YAG激光器采用光泵浦，能量转换环节多，总效率为3%～4%，比CO₂激光器低，而且泵浦灯使用寿命较短。另外，YAG激光器一般输出多模光束，模式不规则，发散角大。

图6-7 脉冲固体激光器的结构

图6-8 典型的Nd∶YAG激光器的结构

Nd³+∶YAG连续激光器工作时，氙灯通电发出强光，照射在激光工作物质（YAG激光棒）上，使之发生粒子数反转，受激辐射产生光的过程比光的吸收过程占优势，受激辐射的光在谐振腔内振荡放大后，通过窗口射出激光。为了提高Nd³+∶YHG激光器的连续输出功率，可以将几个Nd∶YAG棒串联起来获得较高功率的激光束。Nd∶YAG激光器系统可实现8个腔串联，输出功率已达5kW以上。