固體激光器是以摻雜離子的絕緣晶體或玻璃作為工作物質的激光器。在激光發展史上，固體激光器是最早實現激光工作的。目前已經實現激光振蕩的固體工作物質有百余種，激光譜線有數千條，但是最常采用的固體工作物質仍然是紅寶石、釹玻璃、摻釹釔鋁石榴石(Nd3＋：YAG)等三種。
與其它種類的激光器相比較，固體激光器的特點是：輸出能量大(可達數萬焦耳)，峰值功率高(連續功率可達數千瓦，脈沖峰值功率可達千兆瓦、幾十兆兆瓦)，結構緊湊牢固耐用。因此它在工業、國防、醫療、科研等方面得到了廣泛的應用，例如打孔、焊接、劃片、微調、激光測距、雷達、制導、激光視網膜凝結、全息照相、激光存儲、大容量通信等。隨著激光器性能的不斷提高，固體激光器的應用范圍還在繼續擴大。
1.1 固體激光器的基本結構與工作物質
固體激光器基本上都是由工作物質、泵浦系統、諧振腔和冷卻、濾光系統構成的。圖(5—1)是長脈沖固體激光器的基本結構示意圖(冷卻、濾光系統未畫出)。
固體激光工作物質是固體激光器的核心。影響固體激光器工作特性的關鍵是固體激光工作物質的物理和光譜性質，這主要是指吸收帶，熒光譜線，熱導率等。目前研究過的固體工作物質很多，用它們制作了各種各樣的固體激光器，但是最廣泛使用的是紅寶石激光器、摻釹釔鋁石榴石（YAG）激光器和釹玻璃激光器三種。后兩種產生激光的機制是類似的，而紅寶石和YAG激光器 從產生激光的機制來講，分別屬于三能級和四能級系統，有一定的代表性，所以下面只介紹紅寶石和YAG激光工作物質。
圖（1#p#分頁標題#e#） 固體激光器的基本結構示意圖
1．紅寶石(Cr3＋：A12O3)
紅寶石是在三氧化二鋁(A12O3)中摻入少量的氧化鉻(Cr2O3)生長成的晶體。它的吸收光譜特性主要取決于鉻離子(Cr3＋)，如圖（5—2）所示。由圖可見，紅寶石中的鉻離子有兩個強吸收帶：峰值位于0.4l?m處的紫外帶(U帶)和峰值位于0.55?m處的黃綠帶(Y帶)。由于紅寶石晶體的各向異性，它的吸收特性與光的偏振狀態有關，所以對于光場的振動方向與晶體光軸c垂直和平行的兩種分量，吸收曲線略有差別。紅寶石中的鉻離子與激光產生有關的能級結構如圖（5—3）所示。它屬于三能級系統，相應于圖（5—3）的簡化能級模型，其激發態E3為4F1和4F2能級，激光上、下能級E2和E1分別為2E和#p#分頁標題#e#4A2。它的熒光譜線有兩條：R1線和R2線，在室溫下對應的中心波長分別為0.6943?m和0.6929?m。由于R1線的輻射強度比R2大，在振蕩過程中總占優勢，所以通常紅寶石激光器產生的激光譜線均為R1線(0.6943?m)。
圖(2) 紅寶石中鉻離子的吸收光譜
紅寶石激光器的優點是機械強度高，容易生長大尺寸晶體，容易獲得大能量的單模輸出，輸出的紅顏色激光不但可見，而且適于常用硅探測器探測。紅寶石激光器的主要缺點是閾值高和溫度效應非常嚴重。隨著溫度的升高，激光波長將向長波長方向移動，熒光譜線變寬，熒光量子效率下降，導致閾值升高，嚴重時會引起“溫度猝滅”。因此，在室溫情況下，紅寶石激光器不適于連續和高重復率工作，但在低溫下，可以連續運轉。
圖（3） 紅寶石中鉻離子的能級結構
2．摻釹釔鋁石榴石(Nd3＋：YAG)
這種工作物質是將一定比例的A12O3、Y2O3，和Nd2O3在單晶爐中進行熔化，并結晶而成的，呈淡紫色。它的激活粒子是釹離子#p#分頁標題#e#(Nd3＋)，其吸收光譜如圖（5—4）所示，在紫外、可見光和紅外區內有幾個強吸收帶。
圖（4） Nd3＋：YAG晶體的吸收光譜(300K)
YAG中Nd3＋與激光產生有關的能級結構如圖（5—5）所示。它屬于四能級系統。其激光上能級E3為4F3/2，激光下能級E2為4I13/2、4I11/2，其熒光譜線波長為1.35?m、1.06?m，4I9/2相應于基態E1。由于1.06?m比1.35?m波長的熒光強約4倍，所以在激光振蕩中，將只產生1.06?m的激光。
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圖（5） Nd3＋：YAG的能級結構
Nd3＋：YAG激光器的突出優點是閾值低和具有優良的熱學性質，這就使得它適于連續和高重復率工作。YAG是目前能在室溫下連續工作的唯一實用的固體工作物質，在中小功率脈沖器件中，特別是在高重復率的脈沖器件中，目前應用Nd3＋：YAG的量，遠遠超過其它固體工作物質。可以說，Nd3＋：YAG從出現至今，大量使用，長盛不衰。
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