El Nd3+:YAG es un medio de ganancia de cuatro niveles (excepto la transición de 946 nm, como se comenta más adelante), que ofrece una ganancia láser sustancial incluso para niveles de excitación e intensidades de bombeo moderados.El ancho de banda de ganancia es relativamente pequeño, pero esto permite una alta eficiencia de ganancia y, por tanto, una baja potencia umbral de bombeo.
Los láseres de Nd:YAG pueden ser bombeados por diodo o por lámpara.El bombeo por lámpara es posible debido a la absorción de banda ancha de la bomba, principalmente en la región de 800-nm, y a las características de cuatro niveles.
La longitud de onda de emisión de Nd:YAG más común es 1064 nm.A partir de esa longitud de onda, se pueden generar salidas a 532, 355 y 266 nm duplicando, triplicando y cuadruplicando la frecuencia, respectivamente.Otras líneas de emisión están a 946, 1123, 1319, 1338, 1415 y 1444 nm.Cuando se utiliza en la transición de 946 nm, el Nd:YAG es un medio de ganancia de casi tres niveles, que requiere intensidades de bombeo significativamente mayores.Todas las demás transiciones son de cuatro niveles.Algunas de ellas, como la de 1123 nm, son muy débiles, por lo que es difícil obtener un funcionamiento eficiente del láser en estas longitudes de onda:
- Incluso una ganancia moderada requiere una alta densidad de excitación, lo que favorece los efectos de apagado perjudiciales.
- Además, el lasing a 1064 nm, la longitud de onda con una ganancia mucho mayor, tiene que suprimirse, por ejemplo, utilizando espejos dicroicos adecuados para construir el resonador láser.
Sin embargo, con una cuidadosa optimización, incluso en estas transiciones débiles se pueden obtener potencias de salida sustanciales.
El Nd:YAG se utiliza normalmente en forma monocristalina, fabricado con el método de crecimiento de Czochralski, pero también hay Nd:YAG cerámico (policristalino) disponible en alta calidad y en grandes tamaños.Tanto para el Nd:YAG monocristalino como para el cerámico, las pérdidas por absorción y dispersión dentro de la longitud de un cristal láser son normalmente despreciables, incluso para cristales relativamente largos.
Las concentraciones típicas de dopaje de neodimio son del orden de 1 at. Las concentraciones de dopaje elevadas pueden ser ventajosas, por ejemplo, porque reducen la longitud de absorción de la bomba, pero las concentraciones demasiado elevadas conducen al apagado del tiempo de vida del estado superior, por ejemplo, a través de procesos de conversión ascendente.Además, la densidad de potencia disipada puede llegar a ser demasiado elevada en los láseres de alta potencia.Obsérvese que la densidad de dopaje del neodimio no tiene que ser necesariamente la misma en todas las partes; existen cristales láser compuestos con partes dopadas y no dopadas, o con partes que tienen diferentes densidades de dopaje.
| Propiedad | Valor |
|---|---|
| fórmula química | Y3Al5O12 |
| estructura del cristal | cúbico |
| densidad de la masa | 4.56 g/cm3 |
| Dureza Moh | 8-8.5 |
| Módulo de Young | 280 GPa |
| Resistencia a la tracción | 200 MPa |
| punto de fusión | 1970 °C |
| conductividad térmica | 10-14 W / (m K) |
| coeficiente de dilatación térmica | 7-8 – 10-6/K |
| parámetro de resistencia al choque térmico | 790 W/m |
| birefringencia | ninguna (sólo inducida térmicamente) |
| índice de refracción a 1064 nm | 1.82 |
| dependencia de la temperatura del índice de refracción | 7-10 – 10-6/K |
Tabla 1: Algunas propiedades del YAG = granate de itrio y aluminio, que son similares para el YAG dopado con Nd o Yb.
| Propiedad | Valor |
|---|---|
| Densidad de Nd para 1 at. % de dopaje | 1,38 – 1020 cm-3 |
| Vida de fluorescencia | 230 μs |
| Sección transversal de absorción a 808 nm | 7.7 – 10-20 cm2 |
| Sección transversal de emisión a 946 nm | 5 – 10-20 cm2 |
| Sección transversal de emisión a 1064 nm | 28 – 10-20 cm2 |
| Sección transversal de emisión a 1319 nm | 9.5 – 10-20 cm2 |
| Sección transversal de emisión a 1338 nm | 10 – 10-20 cm2 |
| Ancho de banda de ganancia | 0.6 nm |
Tabla 2: Algunas propiedades de Nd:YAG = granate de aluminio de itrio dopado con neodimio.
| Propiedad | Valor |
|---|---|
| Densidad de Yb para 1 at. % de dopaje | 1,38 – 1020 cm-3 |
| Vida de fluorescencia | 950 μs |
| Sección transversal de absorción a 940 nm | 0.75 – 10-20 cm2 |
| Sección transversal de emisión a 1030 nm | 2,2 – 10-20 cm2 |
| Sección transversal de absorción a 1030 nm | 0.12 – 10-20 cm2 |
| Sección transversal de emisión a 1050 nm | 0,3 – 10-20 cm2 |
| Sección transversal de absorción a 1050 nm | 0.01 – 10-20 cm2 |
| ancho de banda de ganancia | 15 nm |
Tabla 3: Algunas propiedades de Yb:YAG = granate de aluminio de iterbio dopado.