陶瓷材料、摻雜過渡金屬的Ⅱ-Ⅵ族材料以及光泵浦半導體激光器，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展。

盡管固體激光器的泵浦源和諧振腔設計已隨著時間的推移不斷發展變化，但是其工作物質的發展卻相對緩慢。固態物理學是一門復雜的學科，對于商業應用來講，改進和優化現有的激光材料（如玻璃、YAG和YLF），早已比研發新型激光材料具有更低的成本，而且也更容易實現。

然而，隨著近幾十年來基礎研究的發展，人們對激光材料有了更好的理解，上述情況正在發生改變。新型固體激光器正在跨越實用化的門檻，其中包括光泵浦而非電驅動的半導體激光器。目前，以三種新型材料為增益介質的新一代固體激光器日益引起了人們的關注：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，這是因為它們內部存在很多對光產生散射的瑕疵。但是如果能夠小心謹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應用的需求。

陶瓷激光材料的測試研究始于20世紀60年代，但此后陶瓷激光材料并沒有得到人們的足夠關注。直到1995年，日本名古屋World Lab的Akio Ikesue報道了一種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。這在業界掀起了陶瓷激光器研究的熱潮。[1]

陶瓷具有很多優點，與采用傳統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現的內部結構。研究人員希望當技術完全成熟后，陶瓷生產能夠比傳統晶體生長更便宜。此外，研究人員還希望通過一種稱為固態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行燒結，將它們轉變成單晶。

研究人員已經對Nd：YAG陶瓷進行了大量研究工作。研究發現，與傳統的單晶YAG相比，多晶YAG陶瓷具有更好的熱光和光機械性能。陶瓷Nd：YAG似乎有望輸出更高的功率。美國勞倫斯•利弗莫爾國家實驗室研制的固體熱容激光器，其采用Nd：YAG 陶瓷放大器，產生的平均功率達到了創紀錄的67kW（見圖1）。[2] 2008年9月，美國國家研究委員會發表的一份報告指出，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•利弗莫爾國家實驗室研制的固體熱容激光器，采用陶瓷平板放大器，產生的平均功率達到67kW

一些利用傳統單晶生長技術不能生長的材料，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，并且熔點高于2400℃。Ikesue在2008年12月《Nature Photonics》上發表的綜述文章中介紹說，三氧化二物陶瓷所具有的高熱導率和寬帶寬，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達到86％。[5]

Ikesue認為，陶瓷激光器技術仍在發展，但它們已經獲得了“傳統單晶技術無法實現的激旋光性能”。

摻雜過渡金屬的Ⅱ-Ⅵ族中紅外激光器

20世紀90年代中期，業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]美國阿拉巴馬大學伯明翰分校的研究人員在最近發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，大部分器件可以實現連續運轉，并且光學轉換率能超過60％。阿拉巴馬大學的研究小組與Photonics Innovations和空軍研究實驗室合作，通過優化材料質量，采用薄板增益介質改善熱性能，最近獲得了13W的連續輸出，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具有更高的熱導率和更好的抗光學損失性能，但是ZnS的過渡金屬摻雜技術還不太成熟。阿拉巴馬大學的研究人員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的范圍內獲得了超過7W的調諧輸出。另一種有希望的材料是摻鐵ZnSe。Fe2+：ZnSe已實現了室溫下的激光輸出，量子級聯激光器是目前在3.7～5.1µm范圍內最佳的可調諧激光器，Mirov對室溫下Fe2+：ZnSe在該波長范圍內獲得更寬的調諧性表示樂觀。

Mirov認為功率水平還能進一步提高。“我們正在考慮獲得幾百瓦、甚至更高的功率輸出”。他也在期待新的應用，例如利用摻鉻硫化物激光器可調諧的優點，將其工作波長調諧到或調諧出強的水吸收帶，從而使激光外科手術刀能夠改變進入組織的滲透深度。

光泵浦半導體激光器

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（垂直外腔面發射激光器），該名稱突出了其與VCSEL的密切關系。

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

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體盤片，泵浦激活區的量子阱（插圖）。光泵浦半導體激光器在外腔中產生振蕩，諧振腔內可以加入諧波發生器等腔內光學組件。后腔鏡是位于OPSL背面的布拉格反射鏡。

與電復合相比，光泵浦能夠激發更寬的區域，產生更大的發射面積，從而提供更好的光束質量和更高的功率。而且，其另一個最大的優點是能夠對增益介質進行設計，以獲得所需的吸收帶和發射波長。

相干公司將該技術商品化，并在去年憑借輸出3W的577nm黃光OPSL獲得了PhAST/Laser Focus World創新獎，該波長與氧絡血紅蛋白的吸收峰相匹配。產生該精確波長能夠將激光能量集中在糖尿病、視網膜病和濕性黃斑變性所影響的視網膜組織中，這是一個重要的醫學進展。577nm激光是通過對輸出波長為1154 nm的OPSL光束倍頻產生的。

由于光泵浦設計靈活強大，因而已被用于許多各種不同的III-V族半導體，基頻輸出從紅光的640nm到紅外的2.3µm?；l功率可達幾十瓦，二次諧波功率可達約20W（見圖3）。這類激光器結構簡單緊湊，并且能夠設計成激光波長滿足特定應用的要求，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#分頁標題#e#

圖3：光泵浦半導體激光器產生的波長和功率

研究人員表示該領域正在迅速發展。三次和四次諧波產生正在將輸出波長向更深的紫外波段推進，這在小型光刻系統中具有潛在應用價值。研究人員正在研究基頻輸出在1.9～2.8µm的光源，目前已實現了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

固體激光器的傳統激活離子，如釹和鐿遠未到被淘汰的時候。可靠的性能和成熟的技術使它們能夠占據一定的位置。但是隨著陶瓷激光器的發展，它們可能以不斷增加的形式出現，并實現更高功率。

參考文獻：
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).