Tm:YAG激光器

2026年3月6日|K WONG

铥：钇铝石榴石激光器（掺铥钇铝石榴石激光器）是一种固态激光器，它使用铥离子（Tm³⁺）作为活性增益介质，掺杂到钇铝石榴石晶体基质中。这些激光器以在短波红外（SWIR）光谱中发光而闻名，最常见的波长约为 2.01 微米（2010 纳米）。由于该波长极易被水吸收，并且被认为是“人眼安全”的，因此铥：钇铝石榴石激光器已成为医疗、工业和国防应用中的关键工具。

工作原理

铥：钇铝石榴石激光器的工作依赖于钇铝石榴石晶格内铥离子的激发。

光泵浦：激光器通常由发射约 785 纳米波长的砷化镓铝半导体二极管激光器泵浦。这种特定的泵浦波长可有效将 Tm³⁺ 离子从其基态激发到更高的能级。
交叉弛豫：铥：钇铝石榴石激光器受益于一种独特的量子力学过程，称为“交叉弛豫”。当一个 Tm³⁺ 离子被一个 785 纳米泵浦光子激发时，它能将其一部分能量转移到邻近的未激发 Tm³⁺ 离子。这导致每个吸收的泵浦光子产生两个离子达到上激光能级，从而实现极高的量子效率（理论上接近 200%）。
发射：当受激离子回到较低能级时，它们通过受激发射发出光子，产生波长约为 2010 纳米的激光束。

物理结构

标准铥：钇铝石榴石激光器的物理结构由几个核心光学组件组成：

增益介质：掺杂特定浓度铥（通常在 2% 到 6% 之间）的钇铝石榴石（YAG）晶体棒或平板。
泵浦源：通过光纤或自由空间透镜耦合的高功率激光二极管，将泵浦光引导至增益介质。
光学谐振腔（腔体）：放置在增益介质两端的两面镜子。
- 高反射镜（HR）：将近 100% 的 2010 纳米光反射回腔体，同时透射 785 纳米泵浦光。
- 输出耦合器（OC）：一个部分反射镜，允许特定百分比的 2010 纳米光作为可用的激光束离开腔体。
热管理：冷却系统（通常是水冷冷却板或微通道冷却器），用于散发多余热量并防止晶体内部出现“热透镜效应”，这可能会使光束失真。

关键光学指标

在评估或指定铥：钇铝石榴石激光器时，有几个指标至关重要：

工作波长：通常约为 2.01 微米，但可根据精确的晶体成分和温度进行轻微调节。
输出功率：从单频型号的几毫瓦到高功率工业系统的数百瓦不等。
光束质量（M² 因子）：表示激光束与完美高斯光束的相似程度。M² 接近 1.0 对于紧密聚焦非常理想。
斜率效率：输出激光功率与输入泵浦功率之比。由于交叉弛豫，铥：钇铝石榴石激光器可以实现高斜率效率（通常 >40%）。
脉冲能量/重复频率：对于脉冲（Q 开关）系统，这衡量了单个脉冲中传递的能量以及每秒（赫兹）发生的脉冲数量。

分类和类型

铥：钇铝石榴石激光器可根据其操作模式进行分类：

连续波（CW）：激光器发射稳定、不间断的光束。常用于医疗软组织手术。
Q 开关（脉冲）：一个光学开关（Q 开关）放置在腔体内部，以积聚能量并以短而强的爆发（纳秒）释放。
微芯片激光器：极其紧凑、单片式铥：钇铝石榴石激光器，其中反射镜直接涂覆在增益介质的微小切片上。用于低功率、单频应用。

应用

外科手术：由于 2.01 微米波长被人体组织中的水分大量吸收，因此铥：钇铝石榴石激光器可实现精确切割和快速凝固（血液凝结），同时对周围组织的热损伤极小。它广泛用于泌尿科（例如，前列腺汽化术）。
遥感和激光雷达：2 微米波长落在“人眼安全”的大气传输窗口内。它用于测量风速（多普勒激光雷达）和检测大气气体，如二氧化碳和水蒸气。
材料加工：用于焊接和切割透明塑料和聚合物，这些材料对标准的 1 微米或 10 微米激光器是透明的，但在 2 微米处是不透明的。
泵浦其他激光器：铥：钇铝石榴石激光器经常用作钬：钇铝石榴石（钬）激光器的泵浦源，后者发射 2.1 微米波长。