A Nd3+:YAG négyszintű erősítő közeg (kivéve az alább tárgyalt 946 nm-es átmenetet), amely még mérsékelt gerjesztési szintek és pumpaintenzitások esetén is jelentős lézererősítést biztosít.Az erősítési sávszélesség viszonylag kicsi, de ez lehetővé teszi a magas erősítési hatásfokot és így az alacsony küszöbértékű pumpateljesítményt.
A Nd:YAG lézerek diódás vagy lámpás pumpálásúak lehetnek.A lámpás pumpálás a főként a 800 nm-es tartományban lévő széles sávú pumpaelnyelés és a négyszintű jellemzők miatt lehetséges.
A leggyakoribb Nd:YAG emissziós hullámhossz 1064 nm.Ebből a hullámhosszból kiindulva 532, 355 és 266 nm-es kimenetek állíthatók elő frekvencia megduplázásával, frekvencia megháromszorozásával, illetve frekvencia megnégyszerezésével. 946, 1123, 1319, 1338, 1415 és 1444 nm-en vannak további emissziós vonalak. 946 nm-es átmenetnél használva az Nd:YAG kvázi háromszintű erősítő közeg, ami jelentősen nagyobb pumpaintenzitást igényel.Az összes többi átmenet négyszintű átmenet. ezek közül néhány, például az 1123 nm-nél lévő, nagyon gyenge, így ezeken a hullámhosszakon nehéz hatékony lézerműködést elérni:
- Még a mérsékelt erősítéshez is nagy gerjesztési sűrűség szükséges, ami kedvez a káros csillapítási hatásoknak.
- Az 1064 nm-en, a jóval nagyobb erősítésű hullámhosszon történő lézerezést ráadásul el kell fojtani, például a lézerrezonátor felépítéséhez megfelelő dichroikus tükrök alkalmazásával.
Gondos optimalizálással azonban még ezeken a gyenge átmeneteken is jelentős kimeneti teljesítményt lehet elérni .
A Nd:YAG-ot általában monokristályos formában használják, Czochralski-növesztési módszerrel gyártva, de létezik kerámia (polikristályos) Nd:YAG is, jó minőségben és nagy méretben.Mind az egykristályos, mind a kerámia Nd:YAG esetében az abszorpciós és szórási veszteségek a lézerkristály hosszán belül általában elhanyagolhatóak, még viszonylag hosszú kristályok esetében is.
A neodímium tipikus adalékkoncentrációja 1 at nagyságrendű. %.A magas doppingkoncentrációk előnyösek lehetnek pl. azért, mert csökkentik a pumpa abszorpciós hosszát, de a túl magas koncentrációk a felső állapot élettartamának kioltásához vezetnek pl. felfelé konverziós folyamatok révén.A nagy teljesítményű lézerekben a disszipált teljesítmény sűrűsége is túl nagy lehet.Megjegyzendő, hogy a neodímium adalékolási sűrűségnek nem feltétlenül kell minden részen azonosnak lennie; léteznek olyan összetett lézerkristályok, amelyek adalékolt és nem adalékolt részekkel, vagy különböző adalékolási sűrűségű részekkel rendelkeznek.
| tulajdonság | érték |
|---|---|
| kémiai képlet | Y3Al5O12 |
| kristályszerkezet | kubikus |
| tömegsűrűség | 4.56 g/cm3 |
| Moh keménység | 8-8.5 |
| Young modulus | 280 GPa |
| szakítószilárdság | 200 MPa |
| olvadáspont | 1970 °C |
| hővezető képesség | 10-14 W / (m K) |
| hőtágulási együttható | 7-8 – 10-6/K |
| hőmérsékleti ütésállósági paraméter | 790 W/m |
| törésmutató | nincs (csak termikusan indukált) |
| törésmutató 1064 nm-en | 1.82 |
| törésmutató hőmérsékletfüggése | 7-10 – 10-6/K |
1. táblázat: A YAG = ittrium-alumíniumgránát néhány tulajdonsága, amelyek hasonlóak az Nd- vagy Yb-adalékolt YAG esetében.
| tulajdonság | érték |
|---|---|
| Nd sűrűség 1 at. esetén. % adalékolás | 1,38 – 1020 cm-3 |
| fluoreszcencia élettartam | 230 μs |
| abszorpciós keresztmetszet 808 nm-en | 7.7 – 10-20 cm2 |
| emissziós keresztmetszet 946 nm-en | 5 – 10-20 cm2 |
| emissziós keresztmetszet 1064 nm-en | 28 – 10-20 cm2 |
| emissziós keresztmetszet 1319 nm-en | 9.5 – 10-20 cm2 |
| emissziós keresztmetszet 1338 nm-en | 10 – 10-20 cm2 |
| erősítési sávszélesség | 0.6 nm |
2. táblázat: Az Nd:YAG = neodímiummal adalékolt ittrium-alumínium-gránát néhány tulajdonsága.
| tulajdonság | érték |
|---|---|
| Yb-sűrűség 1 at. esetén. % adalékolás | 1,38 – 1020 cm-3 |
| fluoreszcencia élettartam | 950 μs |
| abszorpciós keresztmetszet 940 nm-en | 0.75 – 10-20 cm2 |
| emissziós keresztmetszet 1030 nm-en | 2,2 – 10-20 cm2 |
| abszorpciós keresztmetszet 1030 nm-en | 0.12 – 10-20 cm2 |
| emissziós keresztmetszet 1050 nm-en | 0,3 – 10-20 cm2 |
| abszorpciós keresztmetszet 1050 nm-en | 0.01 – 10-20 cm2 |
| erősítési sávszélesség | 15 nm |
3. táblázat: Az Yb:YAG = ytterbiummal adalékolt ittrium-alumínium-gránát néhány tulajdonsága.
Táblázat: Néhány tulajdonsága.