Nd3+:YAG is een versterkingsmedium met vier niveaus (met uitzondering van de 946-nm overgang zoals hieronder besproken), dat een aanzienlijke laserversterking biedt, zelfs voor matige excitatieniveaus en pompintensiteiten.De bandbreedte van de versterking is relatief klein, maar dit maakt een hoge versterkingsefficiëntie mogelijk en dus een laag drempelpompvermogen.
Nd:YAG-lasers kunnen door een diode of door een lamp worden gepompt.Lamp-pomping is mogelijk door de breedbandige pompabsorptie voornamelijk in het 800-nm-gebied en de vier-vlaks karakteristieken.
De meest voorkomende Nd:YAG-emissiegolflengte is 1064 nm.Uitgaande van die golflengte kunnen uitgangen bij 532, 355 en 266 nm worden gegenereerd door respectievelijk frequentieverdubbeling, frequentieverdriedubbeling en frequentievervierdubbeling.Andere emissielijnen zijn bij 946, 1123, 1319, 1338, 1415 en 1444 nm.Bij gebruik bij de 946-nm overgang is Nd:YAG een quasi-drie-niveau versterkingsmedium, waarvoor aanzienlijk hogere pompintensiteiten nodig zijn.Alle andere overgangen zijn overgangen met vier niveaus. Sommige daarvan, zoals die bij 1123 nm, zijn zeer zwak, zodat een efficiënte werking van de laser op deze golflengten moeilijk te verkrijgen is:
- Zelfs een matige versterking vereist een hoge excitatiedichtheid, die nadelige quencheffecten in de hand werkt.
- Bovendien moet het lasen bij 1064 nm, de golflengte met veel hogere versterking, worden onderdrukt, bijvoorbeeld door geschikte dichroische spiegels te gebruiken voor het bouwen van de laserresonator.
Met zorgvuldige optimalisatie kan men echter zelfs op deze zwakke overgangen aanzienlijke uitgangsvermogens verkrijgen.
Nd:YAG wordt gewoonlijk gebruikt in monokristallijne vorm, gefabriceerd met de Czochralski-groeimethode, maar er is ook keramisch (polykristallijn) Nd:YAG beschikbaar in hoge kwaliteit en in grote afmetingen.Voor zowel monokristallijn als keramisch Nd:YAG geldt dat absorptie- en verstrooiingsverliezen binnen de lengte van een laserkristal normaliter te verwaarlozen zijn, zelfs voor relatief lange kristallen.
Typische neodymium-doperingsconcentraties zijn van de orde van 1 at. Hoge dopingconcentraties kunnen voordelig zijn, bijvoorbeeld omdat ze de pompabsorptielengte verkorten, maar te hoge concentraties leiden tot uitdoving van de levensduur van de bovenste toestand, bijvoorbeeld via upconversieprocessen.Ook kan de dichtheid van gedissipeerd vermogen te hoog worden in lasers met een hoog vermogen.Merk op dat de neodymium-dopingdichtheid niet noodzakelijkerwijs in alle delen dezelfde hoeft te zijn; er zijn samengestelde laserkristallen met gedopeerde en ongedopeerde delen, of met delen met verschillende dopingdichtheden.
| Eigenschap | Value |
|---|---|
| chemische formule | Y3Al5O12 |
| kristalstructuur | kubisch |
| massadichtheid | 4.56 g/cm3 |
| Moh hardheid | 8-8.5 |
| Young’s modulus | 280 GPa |
| treksterkte | 200 MPa |
| smeltpunt | 1970 °C |
| thermische geleidbaarheid | 10-14 W / (m K) |
| thermische uitzettingscoëfficiënt | 7-8 – 10-6/K |
| thermische schokbestendigheidsparameter | 790 W/m |
| birefringentie | niets (alleen thermisch geïnduceerd) |
| brekingsindex bij 1064 nm | 1.82 |
| temperatuursafhankelijkheid van brekingsindex | 7-10 – 10-6/K |
Tabel 1: Enkele eigenschappen van YAG = yttrium-aluminiumgranaat, die gelijk zijn voor Nd- of Yb-gedoteerd YAG.
| Eigenschap | Waarde |
|---|---|
| Nd-dichtheid voor 1 at. % doping | 1,38 – 1020 cm-3 |
| fluorescentielevensduur | 230 μs |
| absorptiedoorsnede bij 808 nm | 7.7 – 10-20 cm2 |
| emissiedoorsnede bij 946 nm | 5 – 10-20 cm2 |
| emissiedoorsnede bij 1064 nm | 28 – 10-20 cm2 |
| emissiedoorsnede bij 1319 nm | 9.5 – 10-20 cm2 |
| emissie doorsnede bij 1338 nm | 10 – 10-20 cm2 |
| versterkingsbandbreedte | 0.6 nm |
Tabel 2: Enkele eigenschappen van Nd:YAG = neodymium-gedoteerd yttrium-aluminiumgranaat.
| Eigenschap | Waarde |
|---|---|
| Yb-dichtheid voor 1 at. % doping | 1.38 – 1020 cm-3 |
| fluorescentielevensduur | 950 μs |
| absorptiedoorsnede bij 940 nm | 0.75 – 10-20 cm2 |
| emissie doorsnede bij 1030 nm | 2.2 – 10-20 cm2 |
| absorptie doorsnede bij 1030 nm | 0.12 – 10-20 cm2 |
| emissie doorsnede bij 1050 nm | 0.3 – 10-20 cm2 |
| absorptie doorsnede bij 1050 nm | 0.01 – 10-20 cm2 |
| versterkingsbandbreedte | 15 nm |
Tabel 3: Enkele eigenschappen van Yb:YAG = ytterbium-gedoopt yttrium-aluminiumgranaat.