摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)是材料加工應(yīng)用中最常用的固態(tài)激光介質(zhì)。Nd:YAG具有較好的光吸收和轉(zhuǎn)換效率，較低的激光閾值和良好的熱耗散，適合高功率工作。

• 四級光泵浦

任何給定原子中的電子都可以占據(jù)與原子核周圍的離散軌道或“殼層”相關(guān)的各種離散能級。高軌道上的電子比低軌道上的電子具有更大的能量值。如果不增加外部能量，電子將趨向于穩(wěn)定到可用的最低軌道和能級。但是，如果將能量添加到電子中，則可以將其提升到更高的水平，從而在較低的水平上留下空缺。如果足夠多的電子被提升到更高的能級，就會產(chǎn)生一種稱為“填充反轉(zhuǎn)”的條件。事實(shí)上，啟動激光所需的最小種群反轉(zhuǎn)稱為“激光閾值”。當(dāng)電子從高能級下降到人口較少的能級時，就會發(fā)生激光，以相干的單色激光輻射的光子的形式釋放其儲存的能量。釹 （Nd） 是 Nd：YAG 激光系統(tǒng)中的有源激光介質(zhì)。它是一種極好的激光介質(zhì)，因?yàn)樗鼘獗闷址磻?yīng)良好，并且相對容易達(dá)到激光閾值。如果來自氙燈或氪燈的光被反射到Nd：YAG棒中，其中一些將具有適當(dāng)?shù)哪芰亢筒ㄩL，被Nd原子吸收，將一些電子從基態(tài)（EO）激發(fā)到最高能級（E3）。這稱為光泵浦。四級光泵浦有兩個重要優(yōu)點(diǎn)：易于保持種群反轉(zhuǎn)和良好的泵浦過渡吸收。

• 晶體生長

Nd：YAG棒是從稱為“boules”的較大晶體上切割而成的，這些晶體是通過直拉生長法在熔爐中生產(chǎn)的。熔體的溫度接近2000°C，必須在整個2到3周的過程中精確控制。在釔鋁石榴石基體晶體中，釹離子取代了一定比例的釔離子。理想的Nd百分比通常在1.0%左右。然而，由于釹離子比釔離子大，它只能勉強(qiáng)地進(jìn)入晶格中的釔位置。為了強(qiáng)制取代，原始熔體中Nd離子的含量必須比期望的最終棒摻雜水平高約5倍。當(dāng)摻雜率為1.0%的孔從5.0%的熔體中拉出時，熔體的Nd濃度增加，類似于蒸發(fā)增加鹽水溶液濃度的方式。Nd取代率隨著熔體濃度的增加而增加，產(chǎn)生具有軸向或縱向摻雜梯度的孔。這就限制了均勻氣泡生長的長度。在實(shí)踐中，通過保持相對于熔體質(zhì)量較小的孔的大小來最小化這個梯度。這樣，小孔的增大對熔體濃度就沒有那么大的影響。Nd摻雜率的變化對激光輸出功率和模式質(zhì)量有很大影響。一般來說，較低的摻雜百分比會降低多模輸出功率，但會提高基模(TEM00)質(zhì)量。當(dāng)模式質(zhì)量和小聚焦光斑尺寸比最大輸出功率更重要時，低摻雜棒是薄膜電阻修整等應(yīng)用的首選。較高的摻雜率將產(chǎn)生較高的多模輸出功率，但較差的TEM00模式質(zhì)量。高摻雜棒是首選的應(yīng)用，如標(biāo)記或雕刻時，最大的多模輸出功率是極為重要的，并且光束沒有開孔。

• 棒材制造

由于釹離子比釔離子大，當(dāng)釹占據(jù)釔位點(diǎn)時，晶格中會產(chǎn)生應(yīng)變。這限制了在保持良好光學(xué)質(zhì)量的同時可以達(dá)到的摻雜水平。為了確保定向光的Nd:YAG棒具有最高質(zhì)量，使用Twyman-Green干涉儀的照片作為切割指南，以選擇最佳區(qū)域。

Nd：YAG棒主要特點(diǎn)

較好的光吸收和轉(zhuǎn)換效率

較低的激光閾值

良好的熱耗散

高功率

有效地產(chǎn)生高能脈沖

低重復(fù)率

保持平均功率水平

Nd：YAG棒主要應(yīng)用

鉆孔

焊接

重復(fù)脈沖泵浦

連續(xù)泵送大功率系統(tǒng)