YAG激光器一詞通常用于基于摻釹YAG（Nd:YAG，更準(zhǔn)確地說是Nd3+:YAG）的固態(tài)激光器。然而，還有其他稀土摻雜的YAG晶體，例如鐿、鉺、銩或鈥摻雜（見下文）。
YAG是釔鋁石榴石（Y3Al5O12）的首字母縮寫，這是一種合成晶體材料，在20世紀(jì)60年代以激光晶體的形式開始流行。YAG中的釔離子可以被激光活性稀土離子取代，而不會(huì)強(qiáng)烈影響晶格結(jié)構(gòu)，因?yàn)檫@些離子具有相似的尺寸。一般來說，YAG是一種具有良好性能的基質(zhì)介質(zhì)，特別是對于發(fā)射1064nm的高功率激光器和Q開關(guān)激光器。
在摻釹激光增益介質(zhì)中，最受歡迎的Nd:YAG替代品是Nd:YVO4和Nd:YLF。Nd:YAG激光器現(xiàn)在也必須與Yb:YAG激光器競爭。
Nd:YAG的特性
Nd3+:YAG是一種四能級增益介質(zhì)（除了下面討論的946-nm躍遷），即使在中等激發(fā)水平和泵浦強(qiáng)度下也能提供可觀的激光增益。相對較小的增益帶寬，實(shí)現(xiàn)了高增益效率和低閾值泵浦功率。由于主要在800納米區(qū)域的寬帶泵浦吸收和四能級特性，燈泵浦也能實(shí)現(xiàn)。
最常見的Nd:YAG發(fā)射波長是1064納米。從這個(gè)波長開始，通過頻率倍頻、三倍頻和四倍頻，可以分別產(chǎn)生532、355和266納米的激光輸出。其他發(fā)射線在946、1123、1319、1338、1415和1444納米處。當(dāng)用于946納米躍遷時(shí)，Nd:YAG是一種準(zhǔn)三能級激光增益介質(zhì)，需要明顯更高的泵浦強(qiáng)度。所有其他躍遷都是四級躍遷。其中一些，例如1123nm的波長非常微弱，因此很難在這些波長上獲得有效的激光操作：
- 即使是適度的增益也需要高的激發(fā)密度，這樣容易產(chǎn)生有害的淬火效應(yīng)。
- 此外，必須抑制1064nm的激光（該波長具有更高的增益），可通過使用合適的二向色鏡來構(gòu)建激光諧振器。
然而，通過仔細(xì)的優(yōu)化，即使在這些弱的躍遷，人們也可以獲得大量的輸出功率。
Nd:YAG通常以單晶形式使用，采用直拉生長法制造，但也有高質(zhì)量和大尺寸的陶瓷（多晶）Nd:YAG。對于單晶和陶瓷Nd:YAG，激光晶體長度范圍內(nèi)的吸收和散射損失通常是可以忽略的，即使是相對較長的晶體。
典型的釹摻雜濃度約為 1at.?%。高的摻雜濃度很多時(shí)候是有利的，例如，因?yàn)樗鼈儨p少了泵浦吸收的長度，太高的濃度會(huì)導(dǎo)致上能態(tài)壽命的淬滅，例如：通過上轉(zhuǎn)換過程（這在Q開關(guān)激光器中特別相關(guān)）。在高功率激光器中，耗散功率密度可能變得過高。請注意，所有部分的釹摻雜密度不一定必須相同；有摻雜和未摻雜部分的復(fù)合激光晶體，或具有不同摻雜密度的部分。
| 屬性 | 值 |
|---|---|
| 化學(xué)式 | Y3Al5O12 |
| 晶體結(jié)構(gòu) | 立方體 |
| 質(zhì)量密度 | 4.56g/cm3 |
| 莫氏硬度 | 8–8.5 |
| 楊氏模量 | 280GPa |
| 抗拉強(qiáng)度 | 200MPa |
| 熔點(diǎn) | 1970°C |
| 導(dǎo)熱系數(shù) | 10–14W/(mK) |
| 熱膨脹系數(shù) | 7–8·10?6/K |
| 抗熱震參數(shù) | 790W/m |
| 雙折射 | 無（僅熱感應(yīng)） |
| 1064nm處的折射率 | 1.82 |
| 折射率的溫度依賴性 | 7–10·10-6/K |
表1:YAG=釔鋁石榴石的一些性質(zhì)，與摻Nd或Yb的YAG類似。
| 屬性 | 值 |
|---|---|
| Nd密度為 1at.?% 的摻雜 | 1.38·1020cm?3 |
| 熒光壽命 | 230μs |
| 808nm處的吸收截面 | 7.7·10?20cm2 |
| 946nm處的發(fā)射截面 | 5·10?20cm2 |
| 1064nm處的發(fā)射截面 | 28·10?20cm2 |
| 1319nm處的發(fā)射截面 | 9.5·10?20cm2 |
| 1338nm處的發(fā)射截面 | 10·10?20cm2 |
| 增益帶寬 | 0.6nm |
表2：Nd:YAG=摻釹釔鋁石榴石的一些特性。
| 屬性 | 值 |
|---|---|
| Yb密度為 1at.?% 的摻雜 | 1.38·1020cm?3 |
| 熒光壽命 | 950μs |
| 808nm處的吸收截面 | 0.75·10?20cm2 |
| 946nm處的發(fā)射截面 | 2.2·10?20cm2 |
| 1064nm處的發(fā)射截面 | 0.12·10?20cm2 |
| 1319nm處的發(fā)射截面 | 0.3·10?20cm2 |
| 1338nm處的發(fā)射截面 | 0.01·10?20cm2 |
| 增益帶寬 | 15nm |
表3：Yb的一些特性：YAG=摻鐿釔鋁石榴石。
Nd:YAG激光器的典型類型
一些典型的Nd3+:YAG激光器類型，大多在1064納米處發(fā)射，在下文中描述：
- 燈泵浦激光器可以用長圓柱形Nd:YAG激光棒制成。由于四級激光躍遷不會(huì)引起非激發(fā)Nd離子的任何重吸收，因此此類激光器可以在激光活性離子的極低分?jǐn)?shù)激發(fā)下運(yùn)行。
- 二極管泵浦激光器通常使用相對較小的激光晶體，即尺寸只有幾毫米。例外情況是某些高功率板狀激光器和側(cè)泵浦棒狀激光器。
- YAG激光器在許多情況下是由分立光學(xué)元件制成的體激光器。然而，也有單片YAG激光器，例如：微芯片激光器和非平面環(huán)形振蕩器，通常優(yōu)化為單頻操作，發(fā)射線寬小。
- 許多YAG激光器是Q開關(guān)的，產(chǎn)生納秒級的光脈沖。
- 對于鎖模，Nd:YAG激光器不太適合，因?yàn)橛邢薜脑鲆鎺挓o法實(shí)現(xiàn)非常短的脈沖。
其他激光活性摻雜物
除了Nd:YAG之外，還有幾種帶有其他激光活性摻雜劑的YAG增益介質(zhì)：
- 鐿–Yb:YAG通常在1030nm（最強(qiáng)譜線）或1050nm（摻鐿激光增益介質(zhì)）處發(fā)射。它經(jīng)常被用于，例如，強(qiáng)大而高效的薄盤激光器。
- 鉺–脈沖Er:YAG激光器，通常采用燈泵浦，可發(fā)射2.94μm，可用于牙科和換膚等領(lǐng)域。Er:YAG也可以在1645nm和1617nm處發(fā)射。
- 銩–Tm:YAG激光器的發(fā)射波長在2微米左右，波長可在≈100納米寬度范圍內(nèi)調(diào)諧。
- 鈥–Ho:YAG發(fā)射的波長更長，約為2.1μm。Q開關(guān)Ho:YAG激光器用于例如：泵浦中紅外OPO，還有摻鈥激光晶體和共摻雜劑，例如：Ho:Cr:Tm:YAG。
- 鉻-Cr4+:YAG激光器的發(fā)射波長在1.35-1.55μm左右，通常與1064nm的Nd:YAG激光器一起泵浦。它們的寬發(fā)射帶寬使它們適合于產(chǎn)生超短脈沖。請注意，Cr4+:YAG也被廣泛用作1-μm區(qū)域的Q開關(guān)激光器的可飽和吸收材料。
1μm區(qū)域的摻釹或摻鐿YAG激光器與倍頻器結(jié)合使用，通常是綠色激光器的基礎(chǔ)，尤其是在需要比直接發(fā)射綠色激光器更高的功率時(shí)。