Yttrium-Aluminium-Granat ( YAG , Y₃Al₅O₁₂ ) ist ein synthetisches, kristallines Material aus der Granatgruppe . Es handelt sich um eine kubische Yttrium - Aluminium - Oxid - Phase. Weitere Beispiele sind YAlO₃ ( YAP [ 2 ] ) in hexagonaler oder orthorhombischer, perowskitartiger Form sowie das monokline Y₄Al₂O₉ ( YAM [ 3 ] ) . [ 4 ]

Aufgrund seiner breiten optischen Transparenz [ 5 ] , geringen inneren Spannung, hohen Härte sowie chemischen und thermischen Beständigkeit wird YAG in verschiedenen optischen Anwendungen eingesetzt. [ 6 ] Seine fehlende Doppelbrechung (im Gegensatz zu Saphir) macht es zu einem interessanten Material für Hochenergie-/Hochleistungslasersysteme. Die Laserschädigungsschwellen von YAG lagen zwischen 1,1 und 2,2 kJ/cm² ( 1064 nm, 10 ns). [ 7 ]

YAG ist, wie Granat und Saphir , in reiner Form als Lasermedium ungeeignet. Nach Dotierung mit geeigneten Ionen findet YAG jedoch häufig Verwendung als Wirtsmaterial in verschiedenen Festkörperlasern . [ 8 ] Seltene Erden wie Neodym und Erbium können als aktive Laserionen in YAG eingebracht werden, wodurch Nd:YAG- bzw. Er:YAG -Laser entstehen. Cer- dotiertes YAG (Ce:YAG) wird als Leuchtstoff in Kathodenstrahlröhren und weißen Leuchtdioden sowie als Szintillator eingesetzt .

Edelstein YAG

YAG wurde eine Zeit lang in der Schmuckherstellung als Diamant- und Edelsteinimitat verwendet . Farbvarianten und ihre Dotierungselemente umfassen: [ 1 ] Grün ( Chrom ), Blau ( Kobalt ), Rot ( Mangan ), Gelb ( Titan ), Blau/Rosa/Violett ( Neodym , abhängig von der Lichtquelle), Rosa und Orange. Als facettierte Edelsteine ​​werden sie (als synthetische Steine) aufgrund ihrer Reinheit, Haltbarkeit, ihres hohen Brechungsindex und ihrer Dispersion sowie gelegentlich aufgrund von Eigenschaften wie der Nachahmung des Farbwechsels von Alexandrit geschätzt. Der kritische Winkel von YAG beträgt 33 Grad. YAG lässt sich wie natürlicher Granat schleifen und wird mit Aluminiumoxid oder Diamant (50.000er oder 100.000er Körnung) auf herkömmlichen Polierscheiben poliert . YAG ist wenig hitzeempfindlich. [ 9 ]

Als synthetischer Edelstein hat YAG zahlreiche Varietäten- und Handelsnamen sowie einige irreführende Bezeichnungen. Synonyme sind unter anderem: Alexit , Amamit , Circolit , Weihnachtsgranat (speziell Cr:YAG), Dia-Bud , Diamit, Diamogem , Diamonair , Diamone , Diamonique, Diamonite , Diamonte , Di'yag , Geminair , Gemonair , Kimberly , Linde - Simulationsdiamant, Nier-Gem, Regalair, Replique, Somerset , Triamond , YAlG und Yttriumgranat . Die Produktion für den Edelsteinhandel ging nach der Einführung von synthetischem Zirkonia zurück ; 1995 war die Produktion sehr gering. [ 1 ] Es besteht weiterhin eine gewisse Nachfrage nach synthetischem Granat und nach Schmuckstücken, bei denen der sehr hohe Brechungsindex von Zirkonia unerwünscht ist.

Varianten für technische Anwendungen

Nd:YAG

Nd:YAG-Laserstab mit 0,5 cm Durchmesser.

Neodym - dotiertes YAG ( Nd:YAG ) wurde Anfang der 1960er Jahre entwickelt, und der erste funktionierende Nd:YAG-Laser wurde 1964 erfunden. Neodym-YAG ist das am weitesten verbreitete aktive Lasermedium in Festkörperlasern und wird für alles von kontinuierlichen Lasern mit geringer Leistung bis hin zu gütegeschalteten (gepulsten) Hochleistungslasern mit Leistungen im Kilowattbereich eingesetzt. [ 10 ] Die Wärmeleitfähigkeit von Nd:YAG ist höher und seine Fluoreszenzlebensdauer etwa doppelt so lang wie die von Nd:YVO₄ - Kristallen. Allerdings ist es weniger effizient und stabil, weshalb eine präzisere Temperaturkontrolle erforderlich ist. Die optimale Absorptionsbande von Nd:YAG zum Pumpen des Lasers liegt bei 807,5 nm und ist 1 nm breit. [ 11 ]

Die meisten Nd:YAG-Laser erzeugen Infrarotlicht mit einer Wellenlänge von 1064 nm. Licht dieser Wellenlänge ist schädlich für das Auge, da es von der Augenlinse auf die Netzhaut fokussiert werden kann . Da es jedoch unsichtbar ist, löst es keinen Lidschlussreflex aus. Nd:YAG-Laser können auch mit Frequenzverdopplungs- oder Frequenzverdreifachungskristallen verwendet werden , um grünes Licht mit einer Wellenlänge von 532 nm bzw. ultraviolettes Licht mit einer Wellenlänge von 355 nm zu erzeugen.

Die Dotierungskonzentration in gängigen Nd:YAG-Kristallen liegt üblicherweise zwischen 0,5 und 1,4 Molprozent. Höhere Dotierungskonzentrationen werden für gepulste Laser verwendet, niedrigere für Dauerstrichlaser. Nd:YAG ist rosaviolett, wobei schwächer dotierte Stäbe weniger intensiv gefärbt sind als stärker dotierte. Da sein Absorptionsspektrum schmal ist, hängt der Farbton vom einfallenden Licht ab.

Nd:Cr:YAG

Mit Neodym und Chrom dotiertes YAG ( Nd:Cr:YAG oder Nd/Cr:YAG ) weist im Vergleich zu Nd:YAG überlegene Absorptionseigenschaften auf. Dies liegt daran, dass die Energie von den breiten Absorptionsbanden des Cr³⁺-Dotierstoffs absorbiert und anschließend durch Dipol-Dipol-Wechselwirkungen auf Nd³⁺ übertragen wird . [ 12 ] Dieses Material wurde für den Einsatz in solarbetriebenen Lasern vorgeschlagen , die Bestandteil eines Solarenergie-Satellitensystems sein könnten . [ 13 ]

Er:YAG

Erbium -dotiertes YAG ( Er:YAG ) ist ein aktives Lasermedium, das bei 2940 nm emittiert. Seine Absorptionsbanden sind breit und liegen zwischen 600 und 800 nm, was ein effizientes Pumpen mit Blitzlampen ermöglicht. Die Dotierungskonzentration ist hoch: Etwa 50 % der Yttriumatome werden ersetzt. Die Wellenlänge des Er:YAG-Lasers koppelt gut in Wasser und Körperflüssigkeiten ein, wodurch dieser Laser besonders für medizinische und zahnmedizinische Anwendungen geeignet ist; er wird zur Behandlung von Zahnschmelz und in der ästhetischen Chirurgie eingesetzt. Er:YAG wird zur nichtinvasiven Blutzuckermessung verwendet . Die mechanischen Eigenschaften von Er:YAG sind im Wesentlichen dieselben wie die von Nd:YAG. Er:YAG arbeitet bei Wellenlängen, bei denen die Schwelle für Augenschäden relativ hoch ist (da das Licht absorbiert wird, bevor es auf die Netzhaut trifft ), funktioniert gut bei Raumtemperatur und weist eine hohe differentielle Leitfähigkeit auf . Er:YAG ist rosa. [ 14 ]

Yb:YAG

Ytterbium -dotiertes YAG ( Yb:YAG ) ist ein aktives Lasermedium, das bei 1030 nm emittiert und eine breite, 18 nm breite Absorptionsbande bei 940 nm aufweist. [ 15 ] Es zählt zu den nützlichsten Medien für diodengepumpte Festkörperlaser mit hoher Leistung . Die verwendeten Dotierungskonzentrationen liegen zwischen 0,2 % und 30 % ersetzter Yttriumatome. Yb:YAG zeichnet sich durch eine sehr geringe relative Erwärmung, einen sehr hohen differentiellen Wirkungsgrad [ 16 ] , keine Absorption oder Aufwärtskonversion im angeregten Zustand, eine hohe mechanische Festigkeit und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aus. Yb:YAG kann mit zuverlässigen InGaAs -Laserdioden bei 940 oder 970 nm gepumpt werden.

Yb:YAG ist ein guter Ersatz für 1064 nm Nd:YAG in Hochleistungsanwendungen, und seine frequenzverdoppelte 515 nm-Version kann die 514 nm Argonlaser ersetzen .

Nd:Ce:YAG

Neodym - Cer - doppeldotiertes YAG ( Nd:Ce:YAG oder Nd,Ce:YAG ) ist ein aktives Lasermedium, das Nd:YAG sehr ähnlich ist. Die zusätzlichen Cer-Atome absorbieren stark im ultravioletten Bereich und übertragen ihre Energie auf die Neodym-Atome, wodurch die Pumpleistung erhöht wird. Dies führt zu geringerer thermischer Verzerrung und höherer Ausgangsleistung als bei Nd:YAG bei gleicher Pumpleistung. Die Laserwellenlänge von 1064 nm entspricht der von Nd:YAG. Das Material ist beständig gegen UV-Strahlung der Pumpquelle und weist eine niedrige Laserschwelle auf . Üblicherweise werden 1,1–1,4 % der Y-Atome durch Nd und 0,05–0,1 % durch Ce ersetzt.

Ho:Cr:Tm:YAG

Holmium - Chrom - Thulium -dreifach dotiertes YAG ( Ho:Cr:Tm:YAG oder Ho,Cr,Tm:YAG ) ist ein hocheffizientes aktives Lasermedium. Es emittiert Laserlicht bei 2080 nm und kann mit einer Blitzlampe oder einer Laserdiode gepumpt werden. [ 17 ] Es findet breite Anwendung im Militär, in der Medizin und in der Meteorologie. Es arbeitet gut bei Raumtemperatur, weist eine hohe differentielle Effizienz auf und emittiert bei einer Wellenlänge, bei der die Schwelle für Augenschäden relativ hoch ist. Bei Anregung mit einer Diode kann die 785-nm-Bande für Tm³⁺ - Ionen genutzt werden. [ 17 ] Weitere wichtige Anregungsbanden liegen zwischen 400 und 800 nm. Die verwendeten Dotierungskonzentrationen betragen 0,35 Atom-% Ho, 5,8 Atom-% Tm und 1,5 Atom-% Cr. Die Stäbe weisen aufgrund des Chrom(III)-Ions eine grüne Farbe auf.

Tm:YAG

Thulium -dotiertes YAG ( Tm:YAG ) ist ein aktives Lasermedium, das im Wellenlängenbereich von 1930 bis 2040 nm arbeitet. Es eignet sich für die Diodenanregung. Ein Dual-Mode-Tm:YAG-Laser emittiert zwei Frequenzen mit einem Abstand von 1 GHz.

Cr 4+ :YAG

Chrom (IV)-dotiertes YAG ( Cr:YAG ) bietet einen großen Absorptionsquerschnitt im Spektralbereich von 0,9–1,2 µm und eignet sich daher hervorragend als passiver Q-Schalter für Nd-dotierte Laser. Die resultierenden Bauelemente sind kompakt, kostengünstig und in Festkörperbauweise gefertigt. Cr:YAG zeichnet sich durch eine hohe Zerstörschwelle, gute Wärmeleitfähigkeit, gute chemische Stabilität, UV- Beständigkeit und gute Bearbeitbarkeit aus. Es ersetzt zunehmend traditionelle Q-Schaltmaterialien wie Lithiumfluorid und organische Farbstoffe . Die verwendeten Dotierungskonzentrationen liegen zwischen 0,5 und 3 Molprozent. Cr:YAG kann für die passive Q-Schaltung von Lasern mit Wellenlängen zwischen 1000 und 1200 nm eingesetzt werden, beispielsweise von Lasern auf Basis von Nd:YAG, Nd:YLF₄ , Nd: YVO₄ und Yb:YAG.

Cr:YAG kann auch selbst als Laserverstärkungsmedium verwendet werden und erzeugt abstimmbare Laser mit einer Wellenlänge zwischen 1350 und 1550 nm. Der Cr:YAG-Laser kann ultrakurze Pulse (im Femtosekundenbereich) erzeugen, wenn er mit einem Nd:YAG-Laser bei 1064 nm gepumpt wird. [ 18 ]

Cr:YAG wurde in einer Anwendung der nichtlinearen Optik als selbstgepumpter phasenkonjugierter Spiegel in einem Nd:YAG-„Schleifenresonator“ demonstriert. Ein solcher Spiegel kompensiert sowohl Phasen- als auch Polarisationsaberrationen, die in den Schleifenresonator induziert werden.

Dy:YAG

Dysprosium -dotiertes YAG ( Dy:YAG ) ist ein temperaturempfindlicher Leuchtstoff, der in Temperaturmessungen eingesetzt wird. [ 19 ] Der Leuchtstoff wird durch einen Laserpuls angeregt, und seine temperaturabhängige Fluoreszenz wird beobachtet. Dy:YAG ist im Bereich von 300–1700 K empfindlich . [ 20 ] Der Leuchtstoff kann direkt auf die zu messende Oberfläche oder an ein Ende einer optischen Faser aufgebracht werden . Er wurde auch als einphasiger, weiß emittierender Leuchtstoff in phosphorkonvertierten weißen Leuchtdioden untersucht. [ 21 ]

Sm:YAG

Samarium -dotiertes YAG ( Sm:YAG ) ist ein temperaturempfindlicher Leuchtstoff, ähnlich wie Dy:YAG.

Tb:YAG

Terbium -dotiertes YAG ( Tb:YAG ) ist ein Leuchtstoff, der in Kathodenstrahlröhren verwendet wird . Er emittiert gelbgrünes Licht bei 544 nm.

Ce:YAG

Cer (III)-dotiertes YAG ( Ce:YAG oder YAG:Ce ) ist ein Leuchtstoff bzw. in reiner Einkristallform ein Szintillator mit vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten. Es emittiert gelbes Licht bei Bestrahlung mit blauem oder ultraviolettem Licht oder Röntgenstrahlung. [ 22 ] In weißen Leuchtdioden wird es als Beschichtung auf einer hochhellen blauen InGaN-Diode verwendet , wobei ein Teil des blauen Lichts in gelbes Licht umgewandelt wird, das dann zusammen als Weiß erscheint. Diese Anordnung führt jedoch zu einer suboptimalen Farbwiedergabe . Die Leuchtdichte nimmt mit steigender Temperatur ab, was die Farbwiedergabe des Bauelements zusätzlich beeinträchtigt.

Ce:YAG wird auch in einigen Quecksilberdampflampen als Leuchtstoff verwendet , oft zusammen mit Eu:Y(P,V) O₄ (Yttriumphosphat-Vanadat). Es dient außerdem als Leuchtstoff in Kathodenstrahlröhren, wo es grünes (530 nm) bis gelbgrünes (550 nm) Licht emittiert. Bei Anregung durch Elektronen weist es praktisch kein Nachleuchten auf (Abklingzeit 70 ns). Es eignet sich für den Einsatz in Photomultipliern .

Ce:YAG wird in PET-Scannern , Hochenergie- Gammastrahlungs- und geladenen Teilchendetektoren sowie in hochauflösenden Bildgebungsbildschirmen für Gamma-, Röntgen- , Beta- und Ultraviolettstrahlung eingesetzt .

Ce:YAG kann zusätzlich mit Gadolinium dotiert werden .

Siehe auch

Referenzen

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