图1 固体激光器的基本结构
1) 工作物质
工作物质——激光器的核心，是由激活粒子（都为金属）和基质两部分组成，激活粒子的能级结构决定了激光的光谱特性和荧光寿命等激光特性，基质主要决定了工作物质的理化性质。根据激活粒子的能级结构形式，可分为三能级系统（例如红宝石激光器）与四能级系统（例如Er：YAG激光器）。工作物质的形状目前常用的主要有四种：圆柱形（目前使用最多）、平板形、圆盘形及管状[4]。
2) 泵浦系统
泵浦源能够提供能量使工作物质中上下能级间的粒子数翻转，目前主要采用光泵浦。泵浦光源需要满足两个基本条件：有很高的发光效率和辐射光的光谱特性应与工作物质的吸收光谱相匹配。
常用的泵浦源主要有惰性气体放电灯、太阳能及二极管激光器。其中惰性气体放电灯是当前最常用的，太阳能泵浦常用在小功率器件（尤其在航天工作中的小激光器可用太阳能最为永久能源），二极管(LD)泵浦是目前固体激光器的发展方向，它集合众多优点于一身，已成为当前发展最快的激光器之一。
LD泵浦的方式可以分为两类，横向：同轴入射的端面泵浦（如下图2 a）；纵向:垂直入射的侧面泵浦（如图2 b）。
图2 LD泵浦方式结构示意
LD泵浦的固体激光器有很多优点，寿命长、频率稳定性好、热光畸变小等等，当然最突出的优点是泵浦效率高，因为它泵浦光波长与激光介质吸收谱严格匹配。
3.2红宝石激光器（Cr3?：Al2O3）
红宝石是由蓝宝石（Al2O3）中掺入少量的氧化铬（Cr3O2）而形成。红宝石激光器的工作物质是Cr3?:Al2O3，其中，Al2O3作为基质晶体，Cr3?是发光的激活粒子，光谱特性与Cr3?的能级结构有关，它是三能级系统。如下图4所示为红宝石晶体Cr3?能级图[5]。在室温情况下，红宝石激光器一般输出694.3nm的红光。
图3 红宝石中铬离子的能级结构
红宝石激光器的有一些非常突出的优点：机械强度好，高功率密度，大尺寸晶体，亚稳态寿命长，高能量单模输出。当然也有一些很明显的缺点：阈值高，温度效应明显。所以只能在低温下连续与高重复率运行。
3.2.1红宝石激光器的工作原理
红宝石棒两个端面精磨抛光，其中一个端面镀银，成为全反射面，另一个端面平镀银，成为透射率10% 的部分反射面。
激励能源是光源——螺旋形脉冲氙灯（现经常采用直管氙灯），由氙闪光灯发出的光照射到红宝石的侧面，外有聚光器加强照射效果，闪光灯通常一次工作几毫秒，输入能量1000-2000J，闪光灯的大部分输入能量耗散为热，只有一部分变成光能为红宝石所吸收，并转移到其中Cr3?的相应能级上。当由氙灯输入的能量超过激光器的阈值时，则每激励一次，就有一束相干光从红宝石的半镀银面射出，其波长为694.3nmR1红光。
当氙灯射红宝石时，基态4A2能级上的Cr3?吸收（360~450）nm和（510~600）nm的光跃迁到4F1和4F2能级。Cr3?在4F1和4F2能级上的寿命10?9s很短，因而迅速通过无辐射跃迁到2E能级。该能级是寿命较长的亚稳态。在这个能级上可以积累较多的Cr3?，可以实现在2E和4A2上的粒子束反转。而2E有两个能级间隔为29cm?1的子能级2A和E组成。粒子由2A和E向4A2跃迁产生694.3nm和692.9nm的荧光谱线，称为R1线和R2线。 由于E能级集居数较2A的多，所以易于产生R1线，R1线形成后，E抽空的粒子很快由2A的粒子补充，在2A与很难4A2形成粒子束反转，则激光器只能输出R1线。
3.3红宝石激光器的优缺点
红宝石激光器主要优点：
1）从应用观点看红宝石是很有吸引力的，因为它的输出在可见光范围，而大多数稀土四能级激光器的输出则在近红外。
2）从光谱角度看红宝石具有以下几方面的优点：较窄的线宽、长荧光寿命、高量子效率以及宽的而位置优越的泵浦吸收带。这可以非常有效的利用闪光灯发射出泵浦辐射。
3）输出694.3nm波长的可见激光。光谱线宽0.01~0.1nm，光斑直径为3~6mm。易于接收和检测。
红宝石激光器主要缺点：
1）温度效益比较严重，发热量大。正是由于输出能量大，峰值功率高，导致热效应非常明显，因此红宝石激光器不得不配置冷却系统，才能保证固体激光器的正常连续使用。
2）转换效率相对较低，红宝石激光器的转换效率在0.5%~1%左右。 3）红宝石激光器属三能级系统，具有较高的泵浦能量阈值，通常只能以脉冲方式运转。
4固体激光器的应用
固体激光器在军事、加工、医疗和科学研究领域有广泛的用途。它常用于测距、跟踪、制导、打孔、切割和焊接、半导体材料退火、电子器件微加工、大气检测、光谱研究、外科和眼科手术、等离子体诊断、脉冲全息照相以及激光核聚变等方面。
4.1军事国防
在激光器军事应用的过程中，固体激光器可算是后起之秀。直到20世纪90年代，由于激光技术的发展，固体激光器才在各种军事应用领域崭露头角，并成为绝对的主角。
1) 常规的固体激光武器
激光测距仪是部队中使用最普遍的激光系统，他们被装备在主站坦克、火炮和步兵战车上等。装备之后，可以大大的提高攻击命中率。相比传统的光学瞄准装备，命中率提高数倍。目前，服役的激光测距仪大多数是1.06?m的掺钕钇铝石榴石（Nd3?:YAG）激光测距仪。但由于长期使用该固体激光器容易让人眼膜损坏，目前正在转向对人眼安全的1.54?m掺铒（Er）的磷酸玻璃激光器。当然，还有一些被大量使用的常规激光武器，例如激光目标指示器（LD泵浦的固体激
光器），激光雷达等[6]。
2) 激光导弹防御系统
激光导弹防御或称激光反导的基本特征是：用由光速的高能激光去摧毁声速运行的导弹或其它飞行固体。我们可以说这方面是LD泵浦的固体激光器的天下，因为它有一些突出的优点。目前在陆军中采用的陆基小型激光反导系统、空军采用的机载激光反导系统和海军采用的舰载激光反导系统中都是使用LD泵浦的固体激光器[7]。
3) 未来的激光武器
未来的固体激光武器主要的方向是超高功率和高便携性。高能激光器是未来战斗系统的重要组成部分，将在反监视、主动保护、防空和清除暴露地雷等方面做出贡献。高便携性将使单兵作战的能力大极大的提高，充分发挥每一个兵的作用，当然目前这个想法还是仅仅处于理论阶段。目前各国的激光武器都朝着这两个目标发展，当然实现这两个目标还需很漫长的等待。如下图7所示，为美军未来车载激光武器效果图[8]：
图4 美军未来车载激光武器效果图
如下图5[9]所示为诺思罗普·格鲁曼公司研制出的高功率固体激光器，起功率达到100千瓦，可以说这个功率的出现是固体激光器向高功率方向发展迈出的非常有意义和非常重要的一步。