Nd3+:YAG ist ein Vier-Niveau-Verstärkungsmedium (mit Ausnahme des 946-nm-Übergangs, wie unten besprochen), das selbst bei moderaten Anregungsniveaus und Pumpintensitäten eine erhebliche Laserverstärkung bietet.Die Verstärkungsbandbreite ist relativ klein, was jedoch eine hohe Verstärkungseffizienz und damit eine niedrige Schwellenpumpleistung ermöglicht.
Nd:YAG-Laser können diodengepumpt oder lampengepumpt werden.
Lampenpumpen ist aufgrund der breitbandigen Pumpabsorption hauptsächlich im 800-nm-Bereich und der Vier-Niveau-Eigenschaften möglich.
Die häufigste Nd:YAG-Emissionswellenlänge ist 1064 nm.Ausgehend von dieser Wellenlänge können durch Frequenzverdopplung, Frequenzverdreifachung bzw. Frequenzvervierfachung Leistungen bei 532, 355 und 266 nm erzeugt werden. 946, 1123, 1319, 1338, 1415 und 1444 nm sind weitere Emissionslinien. 946 nm ist Nd:YAG ein Quasi-Drei-Niveau-Verstärkungsmedium, das wesentlich höhere Pumpintensitäten erfordert.Alle anderen Übergänge sind Vier-Niveau-Übergänge, von denen einige, wie der bei 1123 nm, sehr schwach sind, so dass ein effizienter Laserbetrieb bei diesen Wellenlängen nur schwer möglich ist:
- Selbst eine moderate Verstärkung erfordert eine hohe Anregungsdichte, was nachteilige Quencheffekte begünstigt.
- Außerdem muss das Lasern bei 1064 nm, der Wellenlänge mit viel höherer Verstärkung, unterdrückt werden, z.B. durch Verwendung geeigneter dichroitischer Spiegel beim Bau des Laserresonators.
Bei sorgfältiger Optimierung können jedoch selbst bei diesen schwachen Übergängen beträchtliche Ausgangsleistungen erzielt werden.
Nd:YAG wird in der Regel in monokristalliner Form verwendet, die mit dem Czochralski-Wachstumsverfahren hergestellt wird, aber es gibt auch keramisches (polykristallines) Nd:YAG in hoher Qualität und in großen Abmessungen.Sowohl bei monokristallinem als auch bei keramischem Nd:YAG sind die Absorptions- und Streuverluste innerhalb der Länge eines Laserkristalls normalerweise vernachlässigbar, selbst bei relativ langen Kristallen.
Typische Neodym-Dotierungskonzentrationen liegen in der Größenordnung von 1 at. Hohe Dotierungskonzentrationen können vorteilhaft sein, z. B. weil sie die Pumpabsorptionslänge verringern, aber zu hohe Konzentrationen führen zu einer Verringerung der Lebensdauer des oberen Zustands, z. B. durch Aufwärtskonversionsprozesse, und die Dichte der Verlustleistung kann in Hochleistungslasern zu hoch werden.
Die Neodym-Dotierungsdichte muss nicht unbedingt in allen Teilen gleich sein; es gibt zusammengesetzte Laserkristalle mit dotierten und undotierten Teilen oder mit Teilen mit unterschiedlichen Dotierungsdichten.
| Eigenschaft | Wert |
|---|---|
| chemische Formel | Y3Al5O12 |
| Kristallstruktur | kubisch |
| Massendichte | 4.56 g/cm3 |
| Moh Härte | 8-8.5 |
| Jungscher Modul | 280 GPa |
| Zugfestigkeit | 200 MPa |
| Schmelzpunkt | 1970 °C |
| Wärmeleitfähigkeit | 10-14 W / (m K) |
| Wärmeausdehnungskoeffizient | 7-8 – 10-6/K |
| Parameter der thermischen Stoßfestigkeit | 790 W/m |
| Doppelbrechung | keine (nur thermisch induziert) |
| Brechungsindex bei 1064 nm | 1.82 |
| Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex | 7-10 – 10-6/K |
Tabelle 1: Einige Eigenschaften von YAG = Yttrium-Aluminium-Granat, die für Nd- oder Yb-dotiertes YAG ähnlich sind.
| Eigenschaft | Wert |
|---|---|
| Nd-Dichte für 1 at. % Dotierung | 1,38 – 1020 cm-3 |
| Fluoreszenzlebensdauer | 230 μs |
| Absorptionsquerschnitt bei 808 nm | 7.7 – 10-20 cm2 |
| Emissionsquerschnitt bei 946 nm | 5 – 10-20 cm2 |
| Emissionsquerschnitt bei 1064 nm | 28 – 10-20 cm2 |
| Emissionsquerschnitt bei 1319 nm | 9.5 – 10-20 cm2 |
| Emissionsquerschnitt bei 1338 nm | 10 – 10-20 cm2 |
| Verstärkungsbandbreite | 0.6 nm |
Tabelle 2: Einige Eigenschaften von Nd:YAG = Neodym-dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat.
| Eigenschaft | Wert |
|---|---|
| Yb-Dichte für 1 at. % Dotierung | 1,38 – 1020 cm-3 |
| Fluoreszenzlebensdauer | 950 μs |
| Absorptionsquerschnitt bei 940 nm | 0.75 – 10-20 cm2 |
| Emissionsquerschnitt bei 1030 nm | 2,2 – 10-20 cm2 |
| Absorptionsquerschnitt bei 1030 nm | 0.12 – 10-20 cm2 |
| Emissionsquerschnitt bei 1050 nm | 0,3 – 10-20 cm2 |
| Absorptionsquerschnitt bei 1050 nm | 0.01 – 10-20 cm2 |
| Gewinnbandbreite | 15 nm |
Tabelle 3: Einige Eigenschaften von Yb:YAG = Ytterbium-dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat.