Nd3+:YAG är ett förstärkningsmedium med fyra nivåer (med undantag för övergången vid 946 nm, som diskuteras nedan), vilket ger en avsevärd laserförstärkning även vid måttliga exciteringsnivåer och pumpintensiteter.Förstärkningsbandbredden är relativt liten, men detta möjliggör en hög förstärkningseffektivitet och därmed låg tröskelpumpseffekt.
Nd:YAG-lasrar kan vara diodpumpade eller lamppumpade.Lamppumpning är möjlig på grund av den bredbandiga pumpabsorptionen främst i 800-nm-området och egenskaperna med fyra nivåer.
Den vanligaste Nd:YAG-emissionsvåglängden är 1064 nm.Med den våglängden som utgångspunkt kan man generera emissioner vid 532, 355 och 266 nm genom frekvensfördubbling, frekvenstrippelning respektive frekvenskvadruppelning.Andra emissionslinjer finns vid 946, 1123, 1319, 1338, 1415 och 1444 nm.När Nd:YAG används vid övergången vid 946 nm är Nd:YAG ett kvasi-trenivåförstärkningsmedium, vilket kräver betydligt högre pumpintensiteter.Alla andra övergångar är övergångar med fyra nivåer.Vissa av dessa, t.ex. den vid 1123 nm, är mycket svaga, så att effektiv laserdrift vid dessa våglängder är svår att uppnå:
- Även en måttlig förstärkning kräver en hög excitationstäthet, vilket gynnar skadliga quenching-effekter.
- Det är dessutom nödvändigt att undertrycka lasning vid 1064 nm, våglängden med mycket högre förstärkning, till exempel genom att använda lämpliga dikroiska speglar för att bygga laserresonatorn.
Med noggrann optimering kan man dock även vid dessa svaga övergångar erhålla betydande utgångseffekter .
Nd:YAG används vanligen i monokristallin form, tillverkad med Czochralski-tillväxtmetoden, men det finns även keramiskt (polykristallint) Nd:YAG tillgängligt i hög kvalitet och i stora storlekar.För både monokristallin och keramisk Nd:YAG är absorptions- och spridningsförlusterna inom laserkristallens längd normalt försumbara, även för relativt långa kristaller.
Typiska dopingkoncentrationer av neodym är i storleksordningen 1 at. Höga dopningskoncentrationer kan vara fördelaktiga, t.ex. eftersom de minskar pumpabsorptionslängden, men alltför höga koncentrationer leder till att livslängden i det övre tillståndet släckts, t.ex. genom uppkonverteringsprocesser.Dessutom kan tätheten av förbrukad effekt bli för hög i lasrar med hög effekt.Observera att neodymets dopningstäthet inte nödvändigtvis behöver vara densamma i alla delar; det finns sammansatta laserkristaller med dopade och odopade delar, eller med delar som har olika dopningstätheter.
| Egenskaper | Värde |
|---|---|
| kemisk formel | Y3Al5O12 |
| kristallstruktur | kubisk |
| massdensitet | 4.56 g/cm3 |
| Moh-hårdhet | 8-8.5 |
| Young-modul | 280 GPa |
| draghållfasthet | 200 MPa |
| Smältpunkt | 1970 °C |
| Termisk ledningsförmåga | 10-14 W / (m K) |
| Termisk expansionskoefficient | 7-8 – 10-6/K |
| Termisk stötmotståndsparameter | 790 W/m |
| Birefringence | ingen (endast termiskt inducerad) |
| brytningsindex vid 1064 nm | 1.82 |
| Temperaturberoende av brytningsindex | 7-10 – 10-6/K |
Tabell 1: Vissa egenskaper hos YAG = yttriumaluminiumgranat, som är likartade för Nd- eller Yb-dopad YAG.
| Egenskaper | Värde |
|---|---|
| Nd densitet för 1 at. % dopning | 1,38 – 1020 cm-3 |
| fluorescenslivslängd | 230 μs |
| absorptionstvärsnitt vid 808 nm | 7.7 – 10-20 cm2 |
| emissionstvärsnitt vid 946 nm | 5 – 10-20 cm2 |
| emissionstvärsnitt vid 1064 nm | 28 – 10-20 cm2 |
| emissionstvärsnitt vid 1319 nm | 9.5 – 10-20 cm2 |
| Emissionstvärsnitt vid 1338 nm | 10 – 10-20 cm2 |
| förstärkande bandbredd | 0.6 nm |
Tabell 2: Några egenskaper hos Nd:YAG = neodym-dopad yttriumaluminiumgranat.
| Egenskaper | Värde |
|---|---|
| Yb-densitet för 1 vid. % dopning | 1,38 – 1020 cm-3 |
| fluorescenslivslängd | 950 μs |
| absorptionstvärsnitt vid 940 nm | 0.75 – 10-20 cm2 |
| emissionstvärsnitt vid 1030 nm | 2,2 – 10-20 cm2 |
| absorptionstvärsnitt vid 1030 nm | 0.12 – 10-20 cm2 |
| emissionstvärsnitt vid 1050 nm | 0,3 – 10-20 cm2 |
| absorptionstvärsnitt vid 1050 nm | 0.01 – 10-20 cm2 |
| förstärkningsbandbredd | 15 nm |
Tabell 3: Vissa egenskaper hos Yb:YAG = ytterbium-dopad yttriumaluminiumgranat.