The Nd:YAG laser crystal was develo

The Nd:YAG laser crystal was developed not long after the discovery of the ruby laser in the 1960s. Of all the solid-state laser crystals, it has stood the test of time best. Its high gain, narrow linewidth, low threshold and physical properties make it a most versatile laser material for a variety of applications.

The ubiquitous Nd:YAG laser has played many roles over the years. For the military, it has provided rangefinding and target designation capabilities. When used with nonlinear optics or as a pump source for other lasers, it offers scientific users diversity in pulse width format and lasing wavelength. Other applications include medicine (dermatology and ophthalmology), materials processing (cutting, trimming, welding and surface cleaning) and commercial instrumentation (ablation, spectroscopy, marking, nondestructive testing and light shows). Nd:YAG lasers and their harmonic version are used under harsh environmental conditions for remote sensing, gated imaging illumination, bathymetry, ocean and atmospheric studies, and many other real-world applications that require compact, rugged sources.

In some of these application areas, Nd:YAGs compete against nonphotonic techniques and other lasers, such as CO2 and high-power diode lasers. But the Nd:YAG offers a wider application range, in large part because of its unique properties and because it is one of the few lasers that operates efficiently with either flashlamp or diode pump and in pulsed or continuous-wave (CW) mode.

The crystal

Nd:YAG is a man-made cubic garnet crystal (Nd:Y3Al5O12) grown by the Czochralski method. A high-purity oxide powder compound of aluminum, yttrium and neodymium (the active dopant ion that substitutes into yttrium sites with a doping level of about 1 percent) is first placed in an iridium crucible and melted in a radio frequency furnace at about 1970 °C. A seed crystal is then brought into contact with the liquid surface. When slowly lifted, rotated and cooled slightly, a high-quality, single-crystal boule of neodymium-doped yttrium aluminum garnet (Nd:YAG) emerges at the rate of about 0.5 mm per hour.
Typical crystal boules are 60 to 80 mm in diameter by 175 to 225 mm in length. Rods, wafers and slabs in various geometries are extracted from the boule and then fabricated, polished and coated to customer specifications (Figure 1). Finished products range from diode-pumped laser rods as small as 0.5 mm in diameter by 25 mm long to slab geometries as large as 8 × 37 mm in cross section by 235 mm long. More than two-thirds of Czochralski growth station volume in the US is in Nd:YAG, making it the most widely used laser crystal. Other YAG crystals being grown in volume are Er:YAG and CTH:YAG.

The resonator

The most common Nd:YAG rod geometry is a right circular cylinder, although slabs, wafers and rectangular shapes sometimes are used. The rod end faces usually are polished flat and parallel (or oriented near Brewster’s angle for low transmission loss without optical coatings). Convex radiused rod faces sometimes are used to compensate for thermal lensing. In its simplest form, the resonator comprises the rod with a highly reflective dielectric coating at one end and a partial reflector (outcoupler) at the other. The end faces must be precisely parallel in this case. The more typical configuration uses separate mirrors at each end of the resonator along with other optics and crystals added to polarize, modulate, Q-switch and redirect the beam, select net lens power, convert wavelength and spectrally separate its output or a combination of these effects.
The resonator can be stable or unstable. Most scientific lasers use graded-reflectivity mirrors to produce low beam divergence, moderately high energy and therefore high brightness. Many commercial applications do not require a tightly focused spot, and the more conventional multimode stable resonator often is used. The lowest order stable transverse mode, TEM00, has a smooth, Gaussian spatial beam profile in both the near and far field. Most stable resonators are operated multimode; power (or energy if pulsed) is much higher because the lasing diameter can be larger than if confined to the single TEM00 mode. The application dictates the choice of single- vs. multimode operation.

CW Nd:YAG lasers of more than 5 kW and flashlamp-pumped lasers of more than 20 J have been built. Almost any pulse width from ultrashort to CW is possible. Electro-optically Q-switched, pulse-pumped Nd:YAGs typically produce 5- to 20-ns pulse widths. Lower gain, acousto-optically modulated CW-pumped Nd:YAGs produce 150- to 300-ns pulses. Relatively simple oscillator-amplifier configurations can produce 1 to 2 J of Q-switched energy at 1064 nm.
Limitations arise because of the high gain (parasitic effects) and safe operating fluence. Active mode-locking schemes allow pulse widths from about a fraction of a nanosecond down to a few picoseconds. Shorter pulse durations require lasing media with higher gain bandwidth such as Ti:sapphire. Non-Q-switched long-pulse lasers also can produce pulse widths of 100 ms or more. This diversity in pulse duration makes it possible to deliver a wide range of peak power density to suit specific applications.

The diode-pumped Nd:YAG laser has opened up a wider range of applications, thanks to its increased source stability, efficiency and lifetime, and reduced power consumption and size. Commercial Nd:YAG lasers with repetition rates higher than 100 kHz are now available. Diode-pumped devices are best suited for low-pulse-energy or CW power applications because the price of diode bars/arrays still is much higher than that of linear flashlamps.

Frequency-doubled to the green at 532 nm, tripled to the blue at 355 nm and quadrupled to the deep blue at 266 nm are other key Nd:YAG wavelengths. The 532 nm wavelength is ideal for pumping Ti:sapphire or dye lasers (in liquid or plastic matrix form). Noncritically phase-matched KTP optical parametric oscillators (OPOs), when pumped with a Q-switched Nd:YAG at 1064 nm, efficiently generate 1.57-µm radiation, a more eye-safe wavelength for use in less controlled areas. The laser also has lower gain wavelengths near 1.32 and 1.44 µm and 946 nm that can be frequency-doubled, frequency-mixed or Raman-shifted to provide visible and near-IR wavelengths for specialty applications. The diversity in wavelengths when coupled to nonlinear optics and OPOs is unique.

Linewidth

Linewidth is a measure of spectral purity (monochromaticity). For the cubic structure of Nd:YAG, linewidth is about 30 to 50 times narrower than Nd:glass, for example, making Nd:YAG relatively easy to phase match spectrally with harmonic generators to visible wavelengths. On the downside, the absorption spectral linewidth for pumping is quite narrow, making diode pumping somewhat more demanding than it is with Nd:YLF, for example.

The fluorescence lifetime is a measure of how quickly the metastable state depopulates after optical pumping. The fluorescence lifetime of Nd:YAG is about 230 µs, nearly ideal. If much shorter, as with Ti:sapphire or dye lasers, the stored energy would radiate away spontaneously unless extracted quickly from the resonator. Thus, flashlamp pumping is less efficient, and high peak lamp current densities are required. If much longer, as in Er:YAG, it is more difficult to extract the stored energy efficiently in a short pulse because the gain is lower.
For pulsed operation, a flashlamp current pulse duration of 150 to 200 µs often is used because the stored energy doesn’t radiate away, and sufficient input pump energy can be delivered in that time to produce practical output energy levels with long flashlamp life. The Nd:YAG can be CW or pulse-pumped with lamps or diodes. Diode pumping near 808 nm substantially increases efficiency compared with broadband gray body pump sources using xenon- or krypton-filled flashlamps.

The stimulated emission cross section is a measure of lasing efficiency and gain. For Nd:YAG it is a very favorable 3 × 10–19 cm2. This high gain is well-suited for short Q-switched pulses and low pump threshold energy. If the figure were higher, amplified spontaneous emission and parasitic effects would further limit the practical maximum stored energy density in the rod. The saturation fluence for Nd:YAG of around 500 mJ/cm2 is well-suited for efficient energy extraction from amplifiers at safe fluence levels.

When the stimulated emission cross section is lower, as in Nd:glass, the gain is much less, the insertion loss of optical components in the resonator is higher and the Q-switched pulse width is wider. Nd:glass, with its lower cross section and wider linewidth, is better suited for higher energy-storage density and shorter mode-locked pulse width.

Thermal properties

The combination of thermal expansion coefficient, conductivity and index of refraction change with temperature (dn/dT) in Nd:YAG provides acceptable thermal lensing and birefringence loss except for large rod diameters and moderate pulse repetition rate. Nd:glass has one-fifteenth the thermal conductivity of Nd:YAG, so it is much more limited in repetition rate and maximum thermal loading limit to fracture. Nd:YLF has thermal lensing and natural birefringence characteristics that are superior to Nd:YAG. Table 2 summarizes the differences between Nd:YAG and laser materials whose fundamental wavelength is similar.
Nd:YAG has the hardness of mild steel. It is a very robust material that allows polishing to a high-quality finish and, unlike Nd:YLF, is neither fragile nor soluble in water. Its index of refraction of 1.8 makes it particularly easy to apply an antireflection coating at 1064 nm with a single layer of MgF2 for low transmission loss. Multilayer coatings are used on Nd:YLF and Nd:glass because their indices of refraction are lower.

It’s easy to understand why Nd:YAG is the workhorse solid-state laser material. It has near-o

Kết quả (Việt) 2:

Nd: YAG Laser tinh thể được phát triển không lâu sau khi phát hiện ra tia laser ruby trong những năm 1960. Trong tất cả các tinh thể laser trạng thái rắn, nó đã đứng trước thử thách của thời gian tốt nhất. Tăng cao, độ rộng vạch phổ hẹp, ngưỡng thấp và tính chất vật lý làm cho nó một vật liệu laser linh hoạt nhất cho một loạt các ứng dụng. Các Nd ở khắp mọi nơi: YAG laser đã đóng nhiều vai trò trong những năm qua. Đối với quân đội, nó đã cung cấp rangefinding và mục tiêu khả năng chỉ định. Khi được sử dụng với ống kính quang học phi tuyến hoặc như một nguồn bơm cho laser khác, nó cho phép người dùng khoa học đa dạng ở định dạng độ rộng xung và phát laser bước sóng. Các ứng dụng khác bao gồm dùng thuốc (da liễu và nhãn khoa), chế biến vật liệu (cắt, tỉa, hàn và làm sạch bề mặt) và thiết bị thương mại (ablation, quang phổ, đánh dấu, kiểm tra không phá hủy và thấy ánh sáng). Nd: YAG laser và phiên bản hài của họ được sử dụng trong điều kiện môi trường khắc nghiệt đối với cảm biến từ xa, cổng hình ảnh chiếu sáng, độ sâu, đại dương và các nghiên cứu khí quyển, và nhiều ứng dụng thực tế khác mà yêu cầu nhỏ gọn, nguồn gồ ghề. Trong một số lĩnh vực ứng dụng, Nd: YAGs cạnh tranh với các kỹ thuật nonphotonic và laser khác, chẳng hạn như CO2 và diode laser năng lượng cao. Nhưng Nd: YAG cung cấp một phạm vi ứng dụng rộng hơn, phần lớn vì tính chất đặc biệt của nó và bởi vì nó là một trong số ít các tia laser mà hoạt động hiệu quả với một trong hai flashlamp hoặc bơm diode và ở xung hoặc sóng liên tục (CW) chế độ. Các tinh Nd: YAG là một con người tạo ra khối tinh thể garnet (Nd: Y3Al5O12) được trồng theo phương pháp Czochralski. Một hợp chất bột oxit có độ tinh khiết cao nhôm, yttrium và neodymium (các ion dopant hoạt động mà thay vào trang web yttrium với một mức độ doping của khoảng 1 phần trăm) lần đầu tiên được đặt trong một nồi nấu kim iridium và tan chảy trong một lò tần số vô tuyến ở khoảng 1970 ° C. Một tinh thể hạt sau đó được đưa vào tiếp xúc với bề mặt chất lỏng. Khi từ từ nâng lên, xoay và làm mát bằng hơi, một chất lượng cao, đơn tinh thể boule neodymium-doped yttri nhôm garnet (Nd: YAG) nổi lên với tỷ lệ khoảng 0,5 mm mỗi giờ. Boules tinh thể điển hình là 60-80 mm đường kính bằng 175-225 mm chiều dài. Que, bánh xốp và tấm có hình dạng khác nhau được chiết xuất từ các boule và sau đó chế tạo, đánh bóng và phủ thông số kỹ thuật của khách hàng (Hình 1). Hoàn thành sản phẩm từ que laser diode bơm nhỏ như 0,5 mm đường kính bằng dài để hình học phiến lớn như 8 × 37 mm trong mặt cắt ngang bởi dài 235 mm 25 mm. Hơn hai phần ba của Czochralski lượng trạm tăng trưởng ở Mỹ là ở Nd: YAG, làm cho nó tinh thể laser được sử dụng rộng rãi nhất. Tinh thể YAG khác đang được trồng trong khối lượng là Er: YAG và CTH: YAG. Các cộng hưởng Các Nd phổ biến nhất: YAG que hình học là một hình trụ tròn bên phải, mặc dù tấm, tấm và các hình chữ nhật đôi khi được sử dụng. Đòn cuối khuôn mặt thường được đánh bóng phẳng và song song (hoặc định hướng gần góc Brewster cho tổn thất truyền tải thấp mà không cần lớp phủ quang học). Lồi que radiused khuôn mặt đôi khi được sử dụng để bù đắp cho sự hội tụ nhiệt. Trong hình thức đơn giản nhất của nó, là cộng hưởng bao gồm các que với một lớp điện môi phản chiếu cao ở một đầu và một phản xạ một phần (outcoupler) tại khác. Những gương mặt cuối cùng phải được chính xác song song trong trường hợp này. Cấu hình chi tiết điển hình sử dụng gương riêng biệt ở mỗi đầu của cộng hưởng cùng với ống kính quang học khác và các tinh thể thêm vào phân cực, điều chỉnh, Q-switch và chuyển hướng các chùm tia, chọn điện ống kính net, chuyển đổi bước sóng và quang phổ riêng sản lượng của nó hoặc một sự kết hợp của những hiệu ứng. Các cộng hưởng có thể được ổn định hoặc không ổn định. Hầu hết laser khoa học sử dụng gương phản xạ được phân loại-để sản xuất phân kỳ chùm thấp, vừa phải có năng lượng cao và độ sáng cao do đó. Nhiều ứng dụng thương mại không yêu cầu một điểm tập trung chặt chẽ, và đa cộng hưởng ổn định thông thường thường được sử dụng. Các chế độ để ngang ổn định thấp nhất, TEM00, có một, Gaussian cấu dầm không gian thông suốt trong cả hai lĩnh vực gần xa. Cộng hưởng ổn định nhất được điều hành đa; điện (hoặc năng lượng nếu xung) là cao hơn nhiều vì đường kính phát laser có thể lớn hơn nếu giới hạn trong chế độ single TEM00. Ứng dụng này sẽ áp đặt lựa chọn duy nhất so với hoạt động đa. CW ​​Nd: YAG laser của hơn 5 kW và laser flashlamp bơm hơn 20 J đã được xây dựng. Hầu như bất kỳ độ rộng xung từ siêu ngắn để CW là có thể. Electro-quang Q-switched, xung bơm Nd: YAGs thường tạo ra độ rộng xung từ 5 đến 20 ns. Lợi thấp hơn, acousto-quang điều chế CW-bơm Nd: YAGs tạo xung 150 đến 300 ns. Tương đối cấu hình dao động khuếch đại đơn giản có thể sản xuất 1-2 J năng lượng Q-switched tại 1064 nm. Hạn chế phát sinh do sự tăng cao (hiệu ứng ký sinh) và độ dòng vận hành an toàn. Đề án chế độ khóa hoạt động cho phép độ rộng xung từ khoảng một phần nhỏ của một nano giây xuống một vài pico giây. Thời gian xung ngắn hơn đòi hỏi phương tiện truyền thông phát laser với băng thông tăng cao như Ti: sapphire. Laser xung dài-phi-Q-switched cũng có thể sản xuất độ rộng xung của 100 ms hoặc nhiều hơn. Sự đa dạng trong thời gian xung Điều này làm cho nó có thể cung cấp một loạt các mật độ công suất cao điểm để phù hợp với các ứng dụng cụ thể. Các Nd diode bơm: YAG laser đã mở ra một phạm vi rộng lớn hơn của các ứng dụng, nhờ tăng sự ổn định nguồn, hiệu quả và tuổi thọ của nó, và giảm tiêu thụ năng lượng và kích cỡ. Thương mại Nd: YAG laser với giá lặp lại lớn hơn 100 kHz đang có sẵn. Thiết bị diode bơm phù hợp nhất với xung năng lượng thấp hoặc các ứng dụng điện CW vì giá của diode thanh / mảng vẫn là cao hơn nhiều so với flashlamps tuyến tính. Tần-tăng gấp đôi lên màu xanh lá cây ở 532 nm, tăng gấp ba lần để màu xanh ở 355 nm và tăng gấp bốn lần để màu xanh sâu tại 266 nm là chìa khóa khác Nd: YAG bước sóng. Các bước sóng 532 nm là lý tưởng để bơm Ti: sapphire hoặc nhuộm lasers (ở dạng lỏng ma trận hoặc nhựa). Noncritically giai đoạn hợp KTP dao động tham số quang học (OPOS), khi được bơm với Q-switched Nd: YAG tại 1064 nm, hiệu quả tạo ra bức xạ 1,57-micron, một bước sóng mắt an toàn hơn để sử dụng trong các khu vực ít bị kiểm soát. Tia laser có bước sóng cũng tăng thấp hơn gần 1,32 và 1,44 mm và 946 nm có thể được tần số tăng gấp đôi, tần số trộn hoặc Raman dịch chuyển để cung cấp các bước sóng khả kiến và cận hồng ngoại cho các ứng dụng đặc biệt. Sự đa dạng trong các bước sóng khi ghép với ống kính quang học phi tuyến và OPOS là duy nhất. Độ rộng vạch phổ rộng vạch phổ là một thước đo của sự tinh khiết quang phổ (monochromaticity). Đối với các cấu trúc khối Nd: YAG, độ rộng vạch phổ hẹp hơn Nd khoảng 30 đến 50 lần: thủy tinh, ví dụ, làm cho Nd: YAG tương đối dễ dàng để pha trận quang phổ với máy phát điện hòa vào bước sóng nhìn thấy. Mặt khác, sự hấp thụ độ rộng vạch phổ quang phổ cho bơm là khá hẹp, làm cho diode bơm hơi đòi hỏi nhiều hơn là với Nd: YLF, ví dụ. Các đời huỳnh quang là một biện pháp như thế nào một cách nhanh chóng các depopulates trạng thái siêu bền sau khi bơm quang học. Các đời huỳnh quang của Nd: YAG là khoảng 230 ms, gần như lý tưởng. Nếu ngắn hơn nhiều, như với Ti: sapphire hoặc nhuộm laser, năng lượng được lưu trữ sẽ tỏa đi một cách tự nhiên, trừ khi được chiết xuất một cách nhanh chóng từ cộng hưởng. Do đó, bơm flashlamp là kém hiệu quả hơn, và đèn đỉnh cao mật độ hiện hành. Nếu lâu hơn nữa, như trong Er: YAG, nó là khó khăn hơn để trích xuất năng lượng được lưu trữ một cách hiệu quả trong một xung ngắn vì đạt được là thấp hơn. Đối với hoạt động xung, thời gian xung hiện flashlamp của 150-200 ms thường được sử dụng bởi vì lưu trữ năng lượng không tỏa đi, và đủ năng lượng bơm vào có thể được giao trong thời gian đó để tạo ra lượng năng lượng đầu ra thực tế với cuộc sống flashlamp dài. Nd: YAG có thể được CW hoặc xung bơm với đèn hoặc điốt. Diode bơm gần 808 nm đáng kể làm tăng hiệu quả so với các nguồn bơm cơ thể màu xám băng thông rộng sử dụng xenon- hoặc flashlamps krypton-điền. Mặt cắt ngang phát xạ kích thích là một biện pháp hiệu quả và phát laser được. Đối với Nd: YAG nó là một rất thuận lợi 3 × 10-19 cm2. Tăng cao này là rất phù hợp cho các xung Q-switched ngắn và bơm năng lượng thấp ngưỡng. Nếu con số này cao hơn, khuếch đại bức xạ tự phát và các hiệu ứng ký sinh sẽ tiếp tục giới hạn tối đa được lưu trữ mật độ năng lượng thực tế trong các que. Sự ảnh hưởng của bão hòa cho Nd: YAG khoảng 500 mJ / cm2 là rất phù hợp để khai thác năng lượng hiệu quả từ các bộ khuếch đại ở các cấp độ dòng an toàn. Khi cắt ngang phát xạ kích thích thấp, như trong Nd: kính, đạt được là ít hơn nhiều, chèn mất mát của các thành phần quang học trong cộng hưởng cao và độ rộng xung Q-switched là rộng lớn hơn. Nd: kính, với mặt cắt ngang của nó thấp hơn và độ rộng vạch phổ rộng hơn, phù hợp hơn với mật độ lưu trữ năng lượng cao hơn và chế độ khóa ngắn hơn chiều rộng xung. Các chất nhiệt Sự kết hợp của hệ số nhiệt mở rộng, tính dẫn điện và chỉ số của sự thay đổi khúc xạ với nhiệt độ (dn / dT) trong Nd: YAG cung cấp chấp nhận được nhiệt và thấu kính lưỡng chiết mất ngoại trừ đường kính que lớn và tốc độ lặp lại xung vừa phải. Nd: kính có một mười lăm độ dẫn nhiệt của Nd: YAG, vì vậy nó là nhiều hạn chế hơn ở tốc độ lặp lại và giới hạn tải nhiệt tối đa gãy xương. Nd: YLF có thấu kính nhiệt và đặc tính lưỡng chiết tự nhiên được cấp trên để Nd: YAG. Bảng 2 tóm tắt những khác biệt giữa Nd:. Vật liệu YAG laser có bước sóng cơ bản là tương tự Nd: YAG có độ cứng của thép nhẹ. Nó là một vật liệu rất mạnh mẽ, cho phép đánh bóng để hoàn thiện chất lượng cao, và không giống Nd: YLF, không phải là mong manh cũng không hòa tan trong nước. Chỉ số khúc xạ của nó là 1.8 làm cho nó đặc biệt dễ dàng để áp dụng một lớp phủ chống phản xạ tại 1064 nm với một lớp duy nhất của MgF2 cho tổn thất truyền tải thấp. Các lớp phủ đa lớp được sử dụng trên Nd: YLF và Nd:. Kính vì chỉ số khúc xạ của họ là thấp hơn Thật dễ dàng để hiểu lý do tại sao Nd: YAG là vật liệu laser trạng thái rắn Workhorse. Nó có gần-o