双十科技关于超声中常用激光光源
    自1960年世界上第一台激光器诞生到现今，各种各类激光器层出不穷，如以
激光工作物质进行分类就有气体激光器、液体激光器、固体激光器、化学激光器
和半导体激光器等。同样，也可以按激光波长进行分类，或以激光器工作方式、
输出功率等方式进行分类。在各种激光器中，用以激光超声研究的激光工作物质
通常是固体(如Nd : YAG晶体、红宝石晶体或钦玻璃)和气体(He-Ne. C02
等)。下面我们结合超声的激发和探测来介绍几种在激光超声领域用得比较多的
固体和气体激光器。
    固体激光器是以绝缘晶体或玻璃作为工作物质，将能起受激发射作用的激活
离子镶嵌在基质中，具有输出能量或功率高的特点。世界上第一台激光器就是红
宝石固体激光器，最初的激光超声实验也是用红宝石激光器完成的，其工作物质
是在A1203中掺入Cr3+离子的红宝石。自从第一台激光器产生以后，数以百计的晶
体、玻璃、甚至可塑性材料作为基质与各种跃迁金属离子和稀土离子结合用来产
生激光。然而最终成为商用的激光材料却很少，Nd : YAG是迄今使用最为广泛的
激光晶体。表1.1给出的是3种常用固体激光工作物质的性能比较。目前激发超声领
域常用的光源是Nd: YAG固体激光器，激发用调Q的脉冲Nd : YAG固体激光器，
探测则用连续Nd: YAG固体激光器。Nd: YAG固体激光器的输出波长为1.06um ,
加上倍频晶体、二倍频、三倍频可以实现532nm, 355nm. 266nm,覆盖从紫外到
红外的波长输出范围。
    Nd : YAG称为掺钦忆铝石榴石，就是在基质晶体YAG(忆铝石榴石的英文缩
写，化学式为Y3A15012)中掺入Nd203 (Nd3+作激活离子)。YAG是一种光学、力
学和热学性能优良的固体激光基质。Nd : YAG激光器属于四能级系统，具有量子
效率高、受激辐射界面大的优点，其阂值比红宝石和钦玻璃激光器小得多，而且
忆铝石榴石还具有较高的热导率，易于散热。N 3d+适合于不同的工作状态，能有
效地被宽带光源(闪光灯)和窄带光源(二极管)所激发。
    固体激光器一般采用光激励方式使粒子数反转，传统的固体激光器主要采用
气体放电灯一弧光灯和脉冲灯作为泵浦源。这主要是因为:①制作工艺较为简
单，使用方便;②适用范围广，能在脉冲或连续状态下工作。脉冲方式工作的激
光器通常采用脉冲氨灯，连续输出的激光器则采用氟灯。这类激光器的特点是相
对体积较大，但脉冲能量比较高。20个世纪80年代末，由于大功率激光二极管和
阵列型激光二极管成为理想的泵浦源，固体激光器在制作工艺方面发生了质变，
在此基础上出现了二极管泵浦固体激光器(Diode Pump Solid State Laser ,
DPSSL)，目前在中小功率范围内已逐步取代灯泵的固体激光器。
    目前在激光超声的光学干涉探测技术中用的光源很多就是连续的DPSSL，其
功率一般在几百Tn`。激光二极管泵浦相比于传统灯泵技术，具有以下的一些优
点。
      (1)转换效率高。泵浦灯是宽带泵浦，灯的辐射光谱只有极小部分被晶体棒
吸收并转换成激光能量，转换效率仅为3%-6%;激光二极管的辐射光谱与固体
激光工作物质的吸收光谱基本重合，并且泵浦光模式可以很好地与激光振荡模式
相匹配，因此光转换效率很高，达到50%以上，比灯泵浦固体激光器高出1个数量
级。
      (2)激光系统的体积小。使用灯泵浦的固体激光器需要庞大的电源和水冷系
统，激光系统的体积大。激光二极管体积小、质量轻、结构紧凑，在平均输出功
率200mW的情况下，耗散在管子上的功率只有瓦级，采用自然风冷即可，因而大
大地简化了机械装置，为激光系统的小型化提供了有利条件。
      (3)光束质量好。泵浦灯中注入的大部分电功率转换成热能，造成激光晶体
不可消除的热透镜效应，使激光光束质量变差，而激光二极管避免了激光介质热
效应，泵浦光的能量稳定性好，改善了光束质量。
      (4)性能可靠、寿命长。泵浦灯的寿命为300 -1000h，换灯要中断系统工
作，而激光二极管性能可靠，寿命大大长于泵浦灯，达13000h。二极管泵浦固体
激光器为全固化器件，是无需维护的激光器。
    以自由振荡方式工作的脉冲固体激光器输出的激光脉冲有着复杂的时间结
构，是由许多振幅、脉宽和间隔作随机变化的尖峰脉冲组成。每个尖峰的宽度为
0.1 ^-15s。间隔为数微秒，脉冲序列的长度大致与闪光灯泵浦时间相等。激光器的
输出能量分散在这样一串脉冲中，因而不可能有很高的峰值功率。这是因为通常
的激光器的损耗是不变的，一旦光泵浦使反转粒子数达到或略超过阂值时，激光
器便开始振荡，于是上能级的粒子数因受激辐射而减少，致使上能级不能累计很
大的反转粒子数，只能被限制在阂值反转数附沂，该是普通激光器峰值功率不高
的原因。因此，要使上能级积累大量的粒子，可以设法通过改变激光器的阂值来
实现，而这可以通过改变谐振腔的品质因数Q值(或损耗)来实现改变。在输出波
长和腔长一定的条件下，Q值与谐振腔的损耗成反比，即损耗大，Q值就低，阂值
高，不易起振;当损耗小，Q值就高，阂值低，易于起振。调Q技术就是通过某种
方法使腔的Q值按一定程序变化的技术。不同的调Q技术就是用不同的方法控制不
同类型的损耗变化。如电光调Q技术是控制反射损耗变化，声光调Q技术是控制衍
射损耗变化，染料调Q技术控制吸收损耗变化。总体来说就是，在泵浦开始使腔处
于低Q值状态，即提高振荡阂值使振荡不能形成，上能级的反转粒子数就可以大量
积累，能量可以储存的时间决定于上能级的寿命;当积累到最大值(饱和值)
时，突然使腔的损耗减小，Q值突增，激光振荡迅速建立起来，在极短的时间内上
能级的反转粒子数被消耗，转变为腔内的光能量，从腔的输出端以单一脉冲形式
释放出来，于是就获得峰值功率很高的巨脉冲。作为工业应用中的激发超声光
源，由于激发出超声所需的激光峰值功率的需要和超声脉冲频率的需要，一般采
用的就是调Q的固体激光器。
    气体激光器与固体激光器不同的不仅是工作物质为气体，而且激励方法常采
用放电方式。通常由气体放电管组成，在其两端放置形成谐振腔的不透明和部分
透明的反射镜。由于气体的密度比固体小，所以为了得到大功率，其尺寸较大。
    H e-N。激光器是典型的惰性气体原子激光器，N。为工作物质，H。为辅助气
体。He-Ne激光器输出连续光，主要工作波段在可见光到近红外区域，其中，最
常用的工作波长为632.8nin(红光)，其次是1.155m和3.395m以及1.525m, 543.5nm
等。H e-Ne激光器输出光束质量很高，表现为单色性好(Du 20< Hz)和方向性好
  (A< 10-3rad )。由于增益低，输出功率一般为毫瓦量级(0.5~  100mW)。器件结
构简单，造价低廉。H e-Ne激光器主要用于激光超声的实验室研究工作，比如在
超声的光偏转探测中。
    C02是能得到较高功率输出的气体激光器的工作物质，能产生波长为10.65m的
激光，但也可以有其他波长的振荡。由于是远红外输出，所以在一些复合材料中
超声的激光激发中使用脉冲C02激光器。