Nd3+:YAG est un milieu à quatre niveaux de gain (sauf pour la transition 946-nm comme discuté ci-dessous), offrant un gain laser substantiel même pour des niveaux d’excitation et des intensités de pompe modérés.La largeur de bande de gain est relativement petite, mais cela permet une efficacité de gain élevée et donc une faible puissance de pompe de seuil.
Les lasers Nd:YAG peuvent être pompés par diode ou par lampe.Le pompage par lampe est possible en raison de l’absorption de la pompe à large bande principalement dans la région de 800 nm et des caractéristiques à quatre niveaux.
La longueur d’onde d’émission la plus courante du Nd:YAG est de 1064 nm.En partant de cette longueur d’onde, des sorties à 532, 355 et 266 nm peuvent être générées en doublant, triplant et quadruplant la fréquence, respectivement.D’autres lignes d’émission sont à 946, 1123, 1319, 1338, 1415 et 1444 nm.Lorsqu’il est utilisé à la transition de 946 nm, le Nd:YAG est un milieu de gain quasi à trois niveaux, nécessitant des intensités de pompe significativement plus élevées.Toutes les autres transitions sont des transitions à quatre niveaux.Certaines d’entre elles, comme celle à 1123 nm, sont très faibles, de sorte qu’un fonctionnement efficace du laser sur ces longueurs d’onde est difficile à obtenir :
- Même un gain modéré nécessite une densité d’excitation élevée, ce qui favorise les effets de quenching préjudiciables.
- En outre, l’effet laser à 1064 nm, la longueur d’onde avec un gain beaucoup plus élevé, doit être supprimé, par exemple en utilisant des miroirs dichroïques appropriés pour construire le résonateur laser.
Cependant, avec une optimisation minutieuse, même sur ces transitions faibles, on peut obtenir des puissances de sortie substantielles .
Le Nd:YAG est généralement utilisé sous forme monocristalline, fabriquée avec la méthode de croissance de Czochralski, mais il existe aussi du Nd:YAG céramique (polycristallin) disponible en haute qualité et en grandes dimensions.Pour le Nd:YAG monocristallin et céramique, les pertes par absorption et diffusion dans la longueur d’un cristal laser sont normalement négligeables, même pour des cristaux relativement longs.
Les concentrations de dopage en néodyme typiques sont de l’ordre de 1 at. %.Des concentrations de dopage élevées peuvent être avantageuses, par exemple parce qu’elles réduisent la longueur d’absorption de la pompe, mais des concentrations trop élevées conduisent à une extinction de la durée de vie de l’état supérieur, par exemple via des processus d’upconversion.De plus, la densité de puissance dissipée peut devenir trop élevée dans les lasers de haute puissance.Notez que la densité de dopage du néodyme ne doit pas nécessairement être la même dans toutes les parties ; il existe des cristaux laser composites avec des parties dopées et non dopées, ou avec des parties ayant des densités de dopage différentes.
| Propriété | Valeur |
|---|---|
| formule chimique | Y3Al5O12. |
| structure cristalline | cubique |
| densité massique | 4.56 g/cm3 |
| Dureté Moh | 8-8.5 |
| Module de Young | 280 GPa |
| Résistance à la traction | 200 MPa |
| point de fusion | 1970 °C |
| conductivité thermique | 10-14 W / (m K) |
| Coefficient de dilatation thermique | 7-8 – 10-6/K |
| Paramètre de résistance aux chocs thermiques | 790. W/m |
| biréfringence | aucune (uniquement induite thermiquement) |
| indice de réfraction à 1064 nm | 1.82 |
| dépendance de l’indice de réfraction par rapport à la température | 7-10 – 10-6/K |
Tableau 1 : Quelques propriétés du YAG = grenat d’yttrium aluminium, qui sont similaires pour le YAG dopé Nd- ou Yb.
| Propriété | Valeur |
|---|---|
| Densité de Nd pour 1 at. % de dopage | 1,38 – 1020 cm-3 |
| Durée de vie de la fluorescence | 230 μs |
| Section efficace d’absorption à 808 nm | 7.7 – 10-20 cm2 |
| section d’émission à 946 nm | 5 – 10-20 cm2 |
| section d’émission à 1064 nm | 28 – 10-20 cm2 |
| section d’émission à 1319 nm | 9.5 – 10-20 cm2 |
| section transversale d’émission à 1338 nm | 10 – 10-20 cm2 |
| bande passante du gain | 0.6 nm |
Tableau 2 : Quelques propriétés du Nd:YAG = grenat d’yttrium aluminium dopé au néodyme.
| Propriété | Valeur |
|---|---|
| Densité de Yb pour 1 at. % de dopage | 1,38 – 1020 cm-3 |
| Durée de vie de la fluorescence | 950 μs |
| Section efficace d’absorption à 940 nm | 0.75 – 10-20 cm2 |
| section efficace d’émission à 1030 nm | 2,2 – 10-20 cm2 |
| section efficace d’absorption à 1030 nm | 0.12 – 10-20 cm2 |
| section d’émission à 1050 nm | 0,3 – 10-20 cm2 |
| section d’absorption à 1050 nm | 0.01 – 10-20 cm2 |
| bande passante du gain | 15 nm |
Tableau 3 : Quelques propriétés de l’Yb:YAG = grenat d’yttrium aluminium dopé à l’ytterbium.