Nd3+:YAG è un mezzo di guadagno a quattro livelli (ad eccezione della transizione 946-nm come discusso di seguito), offrendo un guadagno laser sostanziale anche per livelli di eccitazione moderati e intensità di pompa.La larghezza di banda di guadagno è relativamente piccola, ma questo permette un’alta efficienza di guadagno e quindi una bassa soglia di potenza di pompaggio.
I laser Nd:YAG possono essere pompati a diodo o a lampada.Il pompaggio a lampada è possibile grazie all’assorbimento a banda larga della pompa principalmente nella regione degli 800-nm e alle caratteristiche a quattro livelli.
La lunghezza d’onda di emissione di Nd:YAG più comune è 1064 nm.Partendo da quella lunghezza d’onda, le uscite a 532, 355 e 266 nm possono essere generate raddoppiando la frequenza, triplicando la frequenza e quadruplicando la frequenza, rispettivamente.Altre linee di emissione sono a 946, 1123, 1319, 1338, 1415 e 1444 nm.Quando viene usato alla transizione 946-nm, Nd:YAG è un mezzo di guadagno quasi a tre livelli, richiedendo intensità di pompa significativamente più alte.Tutte le altre transizioni sono transizioni a quattro livelli.Alcune di queste, come quella a 1123 nm, sono molto deboli, così che un efficiente funzionamento del laser su queste lunghezze d’onda è difficile da ottenere:
- Anche un guadagno moderato richiede un’alta densità di eccitazione, che favorisce effetti di quenching dannosi.
- Inoltre, il laser a 1064 nm, la lunghezza d’onda con un guadagno molto più alto, deve essere soppresso, per esempio usando opportuni specchi dicroici per costruire il risonatore laser.
Tuttavia, con un’attenta ottimizzazione, anche su queste transizioni deboli si possono ottenere potenze di uscita sostanziali.
Nd:YAG è solitamente usato in forma monocristallina, fabbricato con il metodo di crescita Czochralski, ma esiste anche Nd:YAG ceramico (policristallino) disponibile in alta qualità e in grandi dimensioni.Sia per il Nd:YAG monocristallino che per quello ceramico, le perdite di assorbimento e dispersione all’interno della lunghezza di un cristallo laser sono normalmente trascurabili, anche per cristalli relativamente lunghi.
Le concentrazioni di drogaggio tipiche del neodimio sono dell’ordine di 1 at. Si noti che la densità di drogaggio del neodimio non deve necessariamente essere la stessa in tutte le parti; ci sono cristalli laser compositi con parti drogate e non drogate, o con parti che hanno diverse densità di drogaggio.
| Proprietà | Valore |
|---|---|
| formula chimica | Y3Al5O12 |
| struttura cristallina | cubica |
| densità di massa | 4.56 g/cm3 |
| durezza Moh | 8-8.5 |
| modulo di Young | 280 GPa |
| resistenza alla trazione | 200 MPa |
| punto di fusione | 1970 °C |
| conducibilità termica | 10-14 W / (m K) |
| codice di espansione termica | 7-8 – 10-6/K |
| parametro di resistenza allo shock termico | 790 W/m |
| birefrangenza | nessuna (solo indotta termicamente) |
| indice di rifrazione a 1064 nm | 1.82 |
| dipendenza dalla temperatura dell’indice di rifrazione | 7-10 – 10-6/K |
Tabella 1: Alcune proprietà di YAG = granato di ittrio e alluminio, che sono simili per YAG drogato con Nd o Yb.
| Proprietà | Valore |
|---|---|
| Densità Nd per 1 at. % di drogaggio | 1,38 – 1020 cm-3 |
| vita di fluorescenza | 230 μs |
| sezione d’urto di assorbimento a 808 nm | 7.7 – 10-20 cm2 |
| sezione trasversale di emissione a 946 nm | 5 – 10-20 cm2 |
| sezione trasversale di emissione a 1064 nm | 28 – 10-20 cm2 |
| sezione trasversale di emissione a 1319 nm | 9.5 – 10-20 cm2 |
| sezione trasversale di emissione a 1338 nm | 10 – 10-20 cm2 |
| banda passante di guadagno | 0.6 nm |
Tabella 2: Alcune proprietà di Nd:YAG = granato di ittrio e alluminio drogato con neodimio.
| Proprietà | Valore |
|---|---|
| Densità Yb per 1 at. % di drogaggio | 1,38 – 1020 cm-3 |
| vita di fluorescenza | 950 μs |
| sezione d’urto di assorbimento a 940 nm | 0.75 – 10-20 cm2 |
| sezione trasversale di emissione a 1030 nm | 2.2 – 10-20 cm2 |
| sezione trasversale di assorbimento a 1030 nm | 0.12 – 10-20 cm2 |
| sezione trasversale di emissione a 1050 nm | 0,3 – 10-20 cm2 |
| sezione trasversale di assorbimento a 1050 nm | 0.01 – 10-20 cm2 |
| banda passante di guadagno | 15 nm |
Tabella 3: Alcune proprietà di Yb:YAG = granato di ittrio e alluminio drogato con ittrio.