什么是紫翠宝石激光器（Alexandrite Lasers）？
发布时间：2023-02-10 11:02:13 阅读数： 1353
紫翠宝石激光器简介
紫翠宝石激光器是一种可调谐的固态激光器，它使用一种叫做紫翠宝石的宝石。变石是金绿宝石（BeAl2O4）掺杂铬（Cr3+）离子的俗称，在这种激光中被用作活性介质。该激光器的基本发射波长为752纳米。在最佳的操作条件下，激光输出可以从710纳米调到820纳米。激光束的输出功率可以达到20瓦。可以获得持续时间为100μs、能量为1-3J的脉冲。这种激光器是用闪光灯、连续弧光灯或激光二极管进行光学泵浦的。
紫翠宝石激光器可以通过使用非线性晶体来实现频率加倍。通过使用β-硼酸钡（BBO）晶体，频率可以加倍，导致波长从752纳米变成376纳米。在这个波长，水的吸收非常好。通过采用Q-开关和模式锁定，该激光器可以在连续和脉冲模式下运行。作为Cr3+离子和晶格振动之间强耦合的结果，其振动水平有助于该激光器的可调谐性。
紫翠宝石激光器的结构
图1：紫翠宝石激光器的示意图
激光器的增益介质是一根有机玻璃棒，保持在两个谐振镜之间：一个二色性背镜（BM）和一个输出耦合器（OC）。分色背镜是一个高反射镜。泵送是通过激光二极管或闪光灯来提供的。光束整形光学器件用于将泵浦光束聚焦到激光腔内。激光输出来自于输出耦合器。它们使用波克尔斯电池来实现Q开关的目的。为了调谐，使用了一个反馈光栅元件，可以选择性地反射所需的波长。一个平凸透镜（PCX）被用来将这个反馈光束聚焦到有机玻璃棒上。图1表示有机玻璃激光器的原理图。
图2：紫翠宝石激光器的波长调谐
有时，如图2所示，在光学谐振器内使用一个棱镜或具有狭窄带宽的可调谐滤波器进行波长调谐。滤波器会在所需波长以外的所有波长造成损失。
紫翠宝石激光器的能级图
图3：紫翠宝石激光器的能级图
在紫翠宝石激光器中，激光转换发生在紧密排列的能级中。这种激光器在四级和三级都能发光。4A2基态由一系列的振动级组成，根据玻尔兹曼分布进行填充。在三电平状态下，当强泵浦辐射发生时，从4A2（即基态）过渡到4T2（即一个振动级带）的上层激光水平。然后快速松弛到4T2的最低水平，然后电子更快地松弛到2E状态，这是与4T2耦合的。4T2的寿命相对较短，为6.6微秒，但它与位于4T2状态下0.1eV的寿命较长的2E状态有强烈的耦合。大部分从4T2状态的衰变都发生在2E状态。当2E态和基态4A2之间发生转变时，就会发生激光?；竦玫募す馐涑鼋枪潭ǖ模ㄊ椅孪挛?80.4纳米），并且效率相对较低。在这个级别的过渡中，阈值非常高。
在四级模式中，4T2是吸收态。激光发生在4T2状态和4A2内的激发振子状态之间，4A2是基态。激光的波长取决于振动激发的终端。没有作为激光光子释放的能量将被振动声子带走，使铬离子处于基态。图3显示了紫翠宝石激光器中的能级转换。
紫翠宝石激光器的激光参数
| Laser Wavelengths | 700 - 820 nm |
| Laser transition probability | 3.8 x 103/s |
| Upper laser level lifetime | 260 μs at 298 K |
| Stimulated emission cross-section | 1 x 10-24 m2 |
| Spontaneous emission linewidth and gain bandwidth, FWHM | 2.6 x 1013/s |
| Inversion density | 6 x 1024/m3 |
| Small signal gain coefficient | 4 - 20/m |
| Laser gain medium length | 0.12 m |
| Single pass gain | 1.6 - 11 |
| Doping density | 1.75 to 10 x 1025/m3 |
| Index of refraction of gain medium | 1.74 |
| Operating temperature | 500 K |
| Thermal conductivity of laser rod | 23 W/m-K |
| Thermal expansion coefficient of laser rod | 6 x 10-6/K |
| Pumping method | Optical (flashlamp or laser) |
| Pumping bands | 380 - 630 nm, with peaks at 410 nm and 590 nm |
| Output power | up to 1.2 J/pulse |
| Mode | Single-mode or multi-mode |
紫翠宝石激光器优势
它们用于高功率密度的应用。
效率非常高。
Q开关可用于脉冲或连续波操作。
紫翠宝石激光器缺点
对于较厚的材料，生产速度慢
不适合中等厚度的材料
对于较轻的材料，辐射吸收率低
紫翠宝石激光器应用
紫翠宝石激光器利用一种叫做光热解的过程进行操作。激光器发出的一定波长的高能光被转化为热能，并对某一特定区域造成损害。这种技术在医学领域被用来破坏组织。因此，翠绿宝石激光器的重要应用是在医疗领域。它们被用于皮肤科手术，如去除纹身、腿部静脉治疗、脱毛、血管病变、癌症治疗、肾结石去除等。
在脱毛过程中，激光器的一个合适波长落在黑色素吸收光谱的中段，以毛囊的黑色素为目标。这将损害毛发轴和周围的毛囊。
这种激光器的高脉冲重复率和平均功率适用于去除纹身的应用。纹身的墨水吸收了激光，发生了化学变化，从而将纹身从身体上去除。对墨水颗粒加热更多的Q开关紫翠宝石激光器对这种治疗方法是有利的。
由于紫翠宝石激光器的宽发射光谱，其波长可调性可用于激光光谱学。但由于钛蓝宝石激光器提供了更广泛的可调谐性，所以变石激光器的使用并不多。
