掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)是材料加工应用中最常用的固态激光介质。Nd:YAG具有较好的光吸收和转换效率，较低的激光阈值和良好的热耗散，适合高功率工作。
四级光泵浦
任何给定原子中的电子都可以占据与原子核周围的离散轨道或“壳层”相关的各种离散能级。高轨道上的电子比低轨道上的电子具有更大的能量值。如果不增加外部能量，电子将趋向于稳定到可用的最低轨道和能级。但是，如果将能量添加到电子中，则可以将其提升到更高的水平，从而在较低的水平上留下空缺。如果足够多的电子被提升到更高的能级，就会产生一种称为“填充反转”的条件。事实上，启动激光所需的最小种群反转称为“激光阈值”。当电子从高能级下降到人口较少的能级时，就会发生激光，以相干的单色激光辐射的光子的形式释放其储存的能量。钕 （Nd） 是 Nd：YAG 激光系统中的有源激光介质。它是一种极好的激光介质，因为它对光泵浦反应良好，并且相对容易达到激光阈值。如果来自氙灯或氪灯的光被反射到Nd：YAG棒中，其中一些将具有适当的能量和波长，被Nd原子吸收，将一些电子从基态（EO）激发到最高能级（E3）。这称为光泵浦。四级光泵浦有两个重要优点：易于保持种群反转和良好的泵浦过渡吸收。
晶体生长
Nd：YAG棒是从称为“boules”的较大晶体上切割而成的，这些晶体是通过直拉生长法在熔炉中生产的。熔体的温度接近2000°C，必须在整个2到3周的过程中精确控制。在钇铝石榴石基体晶体中，钕离子取代了一定比例的钇离子。理想的Nd百分比通常在1.0%左右。然而，由于钕离子比钇离子大，它只能勉强地进入晶格中的钇位置。为了强制取代，原始熔体中Nd离子的含量必须比期望的最终棒掺杂水平高约5倍。当掺杂率为1.0%的孔从5.0%的熔体中拉出时，熔体的Nd浓度增加，类似于蒸发增加盐水溶液浓度的方式。Nd取代率随着熔体浓度的增加而增加，产生具有轴向或纵向掺杂梯度的孔。这就限制了均匀气泡生长的长度。在实践中，通过保持相对于熔体质量较小的孔的大小来最小化这个梯度。这样，小孔的增大对熔体浓度就没有那么大的影响。Nd掺杂率的变化对激光输出功率和模式质量有很大影响。一般来说，较低的掺杂百分比会降低多模输出功率，但会提高基模(TEM00)质量。当模式质量和小聚焦光斑尺寸比最大输出功率更重要时，低掺杂棒是薄膜电阻修整等应用的首选。较高的掺杂率将产生较高的多模输出功率，但较差的TEM00模式质量。高掺杂棒是首选的应用，如标记或雕刻时，最大的多模输出功率是极为重要的，并且光束没有开孔。
棒材制造
由于钕离子比钇离子大，当钕占据钇位点时，晶格中会产生应变。这限制了在保持良好光学质量的同时可以达到的掺杂水平。为了确保定向光的Nd:YAG棒具有最高质量，使用Twyman-Green干涉仪的照片作为切割指南，以选择最佳区域。
Nd：YAG棒主要特点
较好的光吸收和转换效率
较低的激光阈值
良好的热耗散
高功率
有效地产生高能脉冲
低重复率
保持平均功率水平
Nd：YAG棒主要应用
钻孔
焊接
重复脉冲泵浦
连续泵送大功率系统
