YAG激光器

YAG激光器一词通常用于基于掺钕YAG（Nd:YAG，更准确地说是Nd3+:YAG）的固态激光器。然而，还有其他稀土掺杂的YAG晶体，例如镱、铒、铥或钬掺杂（见下文）。

YAG是钇铝石榴石（Y3Al5O12）的首字母缩写，这是一种合成晶体材料，在20世纪60年代以激光晶体的形式开始流行。YAG中的钇离子可以被激光活性稀土离子取代，而不会强烈影响晶格结构，因为这些离子具有相似的尺寸。一般来说，YAG是一种具有良好性能的基质介质，特别是对于发射1064nm的高功率激光器和Q开关激光器。

在掺钕激光增益介质中，最受欢迎的Nd:YAG替代品是Nd:YVO4和Nd:YLF。Nd:YAG激光器现在也必须与Yb:YAG激光器竞争。

Nd:YAG的特性

Nd3+:YAG是一种四能级增益介质（除了下面讨论的946-nm跃迁），即使在中等激发水平和泵浦强度下也能提供可观的激光增益。相对较小的增益带宽，实现了高增益效率和低阈值泵浦功率。由于主要在800纳米区域的宽带泵浦吸收和四能级特性，灯泵浦也能实现。

最常见的Nd:YAG发射波长是1064纳米。从这个波长开始，通过频率倍频、三倍频和四倍频，可以分别产生532、355和266纳米的激光输出。其他发射线在946、1123、1319、1338、1415和1444纳米处。当用于946纳米跃迁时，Nd:YAG是一种准三能级激光增益介质，需要明显更高的泵浦强度。所有其他跃迁都是四级跃迁。其中一些，例如1123nm的波长非常微弱，因此很难在这些波长上获得有效的激光操作：

• 即使是适度的增益也需要高的激发密度，这样容易产生有害的淬火效应。
• 此外，必须抑制1064nm的激光（该波长具有更高的增益），可通过使用合适的二向色镜来构建激光谐振器。

然而，通过仔细的优化，即使在这些弱的跃迁，人们也可以获得大量的输出功率。

Nd:YAG通常以单晶形式使用，采用直拉生长法制造，但也有高质量和大尺寸的陶瓷（多晶）Nd:YAG。对于单晶和陶瓷Nd:YAG，激光晶体长度范围内的吸收和散射损失通常是可以忽略的，即使是相对较长的晶体。

典型的钕掺杂浓度约为 1at. %。高的掺杂浓度很多时候是有利的，例如，因为它们减少了泵浦吸收的长度，太高的浓度会导致上能态寿命的淬灭，例如：通过上转换过程（这在Q开关激光器中特别相关）。在高功率激光器中，耗散功率密度可能变得过高。请注意，所有部分的钕掺杂密度不一定必须相同；有掺杂和未掺杂部分的复合激光晶体，或具有不同掺杂密度的部分。

属性	值
化学式	Y3Al5O12
晶体结构	立方体
质量密度	4.56g/cm3
莫氏硬度	8–8.5
杨氏模量	280GPa
抗拉强度	200MPa
熔点	1970°C
导热系数	10–14W/(mK)
热膨胀系数	7–8·10−6/K
抗热震参数	790W/m
双折射	无（仅热感应）
1064nm处的折射率	1.82
折射率的温度依赖性	7–10·10-6/K

表1:YAG=钇铝石榴石的一些性质，与掺Nd或Yb的YAG类似。

属性	值
Nd密度为 1at. % 的掺杂	1.38·1020cm−3
荧光寿命	230μs
808nm处的吸收截面	7.7·10−20cm2
946nm处的发射截面	5·10−20cm2
1064nm处的发射截面	28·10−20cm2
1319nm处的发射截面	9.5·10−20cm2
1338nm处的发射截面	10·10−20cm2
增益带宽	0.6nm

表2：Nd:YAG=掺钕钇铝石榴石的一些特性。

属性	值
Yb密度为 1at. % 的掺杂	1.38·1020cm−3
荧光寿命	950μs
808nm处的吸收截面	0.75·10−20cm2
946nm处的发射截面	2.2·10−20cm2
1064nm处的发射截面	0.12·10−20cm2
1319nm处的发射截面	0.3·10−20cm2
1338nm处的发射截面	0.01·10−20cm2
增益带宽	15nm

表3：Yb的一些特性：YAG=掺镱钇铝石榴石。

Nd:YAG激光器的典型类型

一些典型的Nd3+:YAG激光器类型，大多在1064纳米处发射，在下文中描述：

• 灯泵浦激光器可以用长圆柱形Nd:YAG激光棒制成。由于四级激光跃迁不会引起非激发Nd离子的任何重吸收，因此此类激光器可以在激光活性离子的极低分数激发下运行。
• 二极管泵浦激光器通常使用相对较小的激光晶体，即尺寸只有几毫米。例外情况是某些高功率板状激光器和侧泵浦棒状激光器。
• YAG激光器在许多情况下是由分立光学元件制成的体激光器。然而，也有单片YAG激光器，例如：微芯片激光器和非平面环形振荡器，通常优化为单频操作，发射线宽小。
• 许多YAG激光器是Q开关的，产生纳秒级的光脉冲。
• 对于锁模，Nd:YAG激光器不太适合，因为有限的增益带宽无法实现非常短的脉冲。

其他激光活性掺杂物

除了Nd:YAG之外，还有几种带有其他激光活性掺杂剂的YAG增益介质：

• 镱–Yb:YAG通常在1030nm（最强谱线）或1050nm（掺镱激光增益介质）处发射。它经常被用于，例如，强大而高效的薄盘激光器。
• 铒–脉冲Er:YAG激光器，通常采用灯泵浦，可发射2.94μm，可用于牙科和换肤等领域。Er:YAG也可以在1645nm和1617nm处发射。
• 铥–Tm:YAG激光器的发射波长在2微米左右，波长可在≈100纳米宽度范围内调谐。
• 钬–Ho:YAG发射的波长更长，约为2.1μm。Q开关Ho:YAG激光器用于例如：泵浦中红外OPO，还有掺钬激光晶体和共掺杂剂，例如：Ho:Cr:Tm:YAG。
• 铬-Cr4+:YAG激光器的发射波长在1.35-1.55μm左右，通常与1064nm的Nd:YAG激光器一起泵浦。它们的宽发射带宽使它们适合于产生超短脉冲。请注意，Cr4+:YAG也被广泛用作1-μm区域的Q开关激光器的可饱和吸收材料。

1μm区域的掺钕或掺镱YAG激光器与倍频器结合使用，通常是绿色激光器的基础，尤其是在需要比直接发射绿色激光器更高的功率时。