YAG Лазеры

Термин YAG-лазер обычно используется для твердотельных лазеров на основе YAG, активированного неодимом (Nd:YAG, точнее Nd3+:YAG). Однако существуют и другие кристаллы YAG, легированные редкоземельными элементами, напр. с легированием иттербием, эрбием, тулием или гольмием.

YAG (ИАГ) — это аббревиатура от иттрий-алюминиевого граната (Y3Al5O12), синтетического кристаллического материала, который стал популярным в виде лазерных кристаллов в 1960-х годах. Ионы иттрия в ИАГ могут быть заменены лазерно-активными редкоземельными ионами без сильного воздействия на структуру решетки, поскольку эти ионы имеют близкий размер. Как правило, YAG является исходной средой с благоприятными свойствами, особенно для мощных лазеров и лазеров с модуляцией добротности, излучающих на длине волны 1064 нм.

Наиболее популярными альтернативами Nd:YAG среди лазерных усиливающих сред, легированных неодимом, являются Nd:YVO4 и Nd:YLF. Лазеры Nd:YAG в настоящее время также должны конкурировать с лазерами Yb:YAG (см. ниже).

Свойства Nd:YAG

Nd3+:YAG представляет собой четырехуровневую усиливающую среду (за исключением перехода 946 нм), обеспечивающее существенное усиление лазера даже при умеренных уровнях возбуждения и интенсивности накачки. Ширина полосы усиления относительно мала, но это обеспечивает высокую эффективность усиления и, следовательно, низкую пороговую мощность накачки.

Лазеры Nd:YAG могут иметь диодную или ламповую накачку. Ламповая накачка возможна за счет широкополосного поглощения накачки преимущественно в области 800 нм и четырехуровневой характеристики.

Наиболее распространенная длина волны излучения Nd:YAG составляет 1064 нм. Начиная с этой длины волны, выходные сигналы с длинами волн 532, 355 и 266 нм могут быть получены путем удвоения, утроения и учетверения частоты соответственно. Другие эмиссионные линии находятся на 946, 1123, 1319, 1338, 1415 и 1444 нм. При использовании на переходе 946 нм Nd:YAG представляет собой квази-трехуровневую лазерную усиливающую среду, требующую значительно более высоких интенсивностей накачки. Все остальные переходы являются четырехуровневыми переходами. Некоторые из них, например, на длине волны 1123 нм, очень слабые, поэтому трудно добиться эффективной работы лазера на этих длинах волн:

Даже умеренное усиление требует высокой плотности возбуждения, что способствует пагубным эффектам гашения.

  • Кроме того, необходимо подавлять генерацию на длине волны 1064 нм, на которой коэффициент усиления намного выше, например, с помощью подходящих дихроичных зеркал для создания резонатора лазера.
Рис. 1. Структура энергетических уровней и общие переходы накачки и лазера трехвалентного иона неодима в Nd3+:YAG.

Однако при тщательной оптимизации даже на этих слабых переходах можно получить значительные выходные мощности [4].

Nd:YAG обычно используется в монокристаллической форме, изготовленной по методу роста Чохральского, но существует также керамический (поликристаллический) Nd:YAG высокого качества и больших размеров. Как для монокристаллического, так и для керамического Nd:YAG потери на поглощение и рассеяние в пределах длины лазерного кристалла обычно незначительны, даже для относительно длинных кристаллов.

Типичные концентрации легирования неодимом составляют порядка 1 ат. %. Высокие концентрации легирования могут быть выгодными, например. потому что они уменьшают продолжительность поглощения накачки, но слишком высокие концентрации приводят к гашению времени жизни верхнего состояния, т.е. через процессы преобразования с повышением частоты (что особенно актуально в лазерах с модуляцией добротности). Кроме того, в мощных лазерах плотность рассеиваемой мощности может стать слишком высокой. Обратите внимание, что плотность легирования неодима не обязательно должна быть одинаковой во всех частях; существуют составные лазерные кристаллы с легированными и нелегированными частями или с частями, имеющими разную плотность легирования.

ПараметрЗначение
Химическая формулаY3Al5O12
Кристаллическая структуракубическая
Массовая плотность4,56 г/см3
Твердость по Моосу8-8,5
Модуль Юнга280 ГПа
Предел прочности200 МПа
Температура плавления1970 °C
Теплопроводность10–14 Вт / (m K)
Коэффициент температурного расширения7–8 · 10−6/K
Термостойкость790 Вт/м
Двойное лучепреломлениенет
Коэффициент преломления1,82
Зависимость коэффициента преломления от температуры7–10 · 10−6/K
Свойства YAG (схожи с Nd:YAG и Yb:YAG)

ПараметрЗначение
Плотность Nd на 1 ат. % легирования1,38 · 1020 cm−3
Время жизни флуоресценции230 мкс
Сечение поглощения на 808 нм7,7 · 10−20 см2
Сечение излучения на 808 нм5 · 10−20 см2
Сечение излучения на 808 нм28 · 10−20 см2
Сечение излучения на 808 нм9,5 · 10−20 см2
Сечение излучения на 808 нм10 · 10−20 см2
Ширина полосы усиления0,6 нм
Свойства Nd:YAG

ПараметрЗначение
Плотность Yb на 1 ат. % легирования1,38 · 1020 cm−3
Время жизни флуоресценции950 мкс
Сечение поглощения на 940 нм0,75· 10−20 см2
Сечение излучения на 1030 нм2,2 · 10−20 см2
Сечение поглощения на 1030 нм0,12· 10−20 см2
Сечение излучения на 1050 нм0,3 · 10−20 см2
Сечение поглощения на 1050 нм0,01 · 10−20 см2
Ширина полосы усиления15 нм
Свойства Yb:YAG

Типы Nd:YAG лазеров

Основные типы лазеров Nd3+:YAG, в основном излучающие на длине волны 1064 нм, описаны ниже:

  • Лазеры с ламповой накачкой могут быть изготовлены из длинных цилиндрических лазерных стержней Nd: YAG. Поскольку четырехуровневый лазерный переход не вызывает реабсорбции невозбужденными ионами Nd, такие лазеры могут работать с очень низким долевым возбуждением лазерно-активных ионов.Лазеры с диодной накачкой обычно изготавливаются из относительно небольших лазерных кристаллов, т. е. с размерами всего несколько миллиметров. Исключением являются некоторые мощные пластинчатые лазеры и стержневые лазеры с боковой накачкой.YAG-лазеры во многих случаях представляют собой объемные лазеры, состоящие из дискретных оптических элементов. Однако существуют и монолитные YAG-лазеры, т.е. микрочиповые лазеры и неплоские кольцевые генераторы, часто оптимизированные для работы на одной частоте с небольшой шириной линии излучения.Многие YAG-лазеры имеют модуляцию добротности, генерирующую наносекундные световые импульсы.Для синхронизации мод лазеры Nd:YAG менее подходят, так как ограниченная полоса усиления не позволяет использовать очень короткие импульсы.

Другие лазерно-активные примеси в YAG

Помимо Nd: YAG, существует несколько усиливающих сред YAG с другими лазерно-активными примесями:

  • Иттербий – Yb:YAG обычно излучает на длине волны 1030 нм (самая сильная линия) или 1050 нм (→ лазерная усиливающая среда, легированная иттербием). Он часто используется, например, в мощных и эффективных лазерах на тонких дисках.
  • Эрбиевые импульсные лазеры Er:YAG, часто с ламповой накачкой, могут излучать с длиной волны 2,94 мкм и используются, например, в стоматологии и для шлифовки кожи. Er:YAG также может излучать на длинах волн 1645 нм [2] и 1617 нм.
  • Лазеры на тулии – Tm:YAG излучают с длиной волны около 2 мкм с возможностью перестройки длины волны в диапазоне ширины ≈ 100 нм.
  • Гольмий – Ho: YAG излучает на еще более длинных волнах около 2,1 мкм. Лазеры Ho: YAG с модуляцией добротности используются, например, для прокачки ПГС среднего инфракрасного диапазона. Существуют также лазерные кристаллы, легированные гольмием, с содопантами, например. Ho:Cr:Tm:YAG.
  • Лазеры Chrom-Cr4+:YAG излучают около 1,35–1,55 мкм и часто накачиваются лазерами Nd:YAG на длине волны 1064 нм. Их широкая полоса излучения делает их пригодными для генерации ультракоротких импульсов. Отметим, что Cr4+:YAG также широко используется в качестве материала с насыщающимся поглотителем для лазеров с модуляцией добротности в области 1 мкм.

YAG-лазеры с примесью неодима или иттербия в области 1 мкм в сочетании с удвоителями частоты часто являются основой зеленых лазеров, особенно когда требуются более высокие мощности, чем лазеры прямого зеленого излучения.

Библиография

[1]J. E. Geusic et al., “Laser oscillations in Nd-doped yttrium aluminum, yttrium gallium and gadolinium garnets”, Appl. Phys. Lett. 4 (10), 182 (1964)
[2]D. Y. Shen et al., “Highly efficient in-band pumped Er:YAG laser with 60 W of output at 1645 nm”, Opt. Lett. 31 (6), 754 (2006)
[3]J. W. Kim et al., “Fiber-laser-pumped Er:YAG lasers”, IEEE Sel. Top. Quantum Electron. 15 (2), 361 (2009)
[4]Li Chaoyang et al., “106.5 W high beam quality diode-side-pumped Nd:YAG laser at 1123 nm”, Opt. Express 18 (8), 7923 (2010)
[5]X. Délen et al., “34 W continuous wave Nd:YAG single crystal fiber laser emitting at 946 nm”, Appl. Phys. B 104 (1), 1 (2011)
[6]H. C. Lee et al., “Diode-pumped continuous-wave eye-safe Nd:YAG laser at 1415 nm”, Opt. Lett. 37 (7), 1160 (2012)