LASER

Nd:YAG laser

Definice Nd:YAG laseru

Neodymem dopovanýYttrium Aluminium Garnet (Nd:YAG) laser je pevnolátkový laser, ve kterém se jako laserové médium používá Nd:YAG.

Tyto lasery mají mnoho různých aplikací v lékařské a vědecké oblasti pro procesy, jako je operace Lasik a laserová spektroskopie.

Nd: YAG laser je čtyřúrovňový laserový systém, což znamená, že se na působení laseru podílejí čtyři energetické hladiny. Tyto lasery pracují v pulzním i kontinuálním režimu.

Nd: YAG laser generuje laserové světlo běžně v blízké infračervené oblasti spektra o vlnové délce 1064 nanometrů (nm). Vyzařuje také laserové světlo o několika různých vlnových délkách, včetně 1440 nm, 1320 nm, 1120 nm a 940 nm.

Konstrukce laseru Nd:YAG

Laser Nd:YAG se skládá ze tří důležitých prvků: zdroje energie, aktivního média a optického rezonátoru.

Zdroj energie

Zdroj energie nebo zdroj čerpadla dodává energii aktivnímu médiu, aby bylo dosaženo populační inverze. V Nd: YAG laseru se jako zdroj energie používají světelné zdroje energie, jako jsou zábleskové trubice nebo laserové diody, které dodávají energii aktivnímu médiu.

V minulosti se jako zdroj čerpání většinou používaly zábleskové trubice, protože byly levné. V současné době se však dává přednost laserovým diodám před zábleskovými trubicemi kvůli jejich vysoké účinnosti a nízké ceně.

Aktivní médium

Aktivní médium neboli laserové médium laseru Nd:YAG je tvořeno syntetickým krystalickým materiálem (yttrium-hlinitý granát (YAG)) dopovaným chemickým prvkem (neodym (Nd)). Elektrony neodymových iontů v nižším energetickém stavu jsou excitovány do vyššího energetického stavu, což zajišťuje lasování v aktivním prostředí.

Optický rezonátor

Krystal Nd:YAG je umístěn mezi dvěma zrcadly. Tato dvě zrcadla jsou opticky potažena nebo postříbřena.

Každé zrcadlo je postříbřeno nebo potaženo jiným způsobem. Jedno zrcadlo je zcela postříbřené, zatímco druhé zrcadlo je částečně postříbřené. Zrcadlo, které je zcela postříbřené, bude zcela odrážet světlo a je známé jako plně zrcadlící zrcadlo.

Na druhé straně zrcadlo, které je částečně postříbřené, bude odrážet většinu světla, ale propustí přes sebe malou část světla k vytvoření laserového paprsku. Toto zrcadlo se nazývá částečně odrážející zrcadlo.

Působení Nd:YAG laseru

Nd:YAG laser je čtyřúrovňový laserový systém, což znamená, že se na působení laseru podílejí čtyři energetické hladiny. K dodávce energie do aktivního prostředí se používají zdroje světelné energie, jako jsou zábleskové trubice nebo laserové diody.

V laseru Nd:YAG jsou elektrony nižšího energetického stavu v iontech neodymu excitovány do vyššího energetického stavu, aby se dosáhlo populační inverze.

Považujme za aktivní prostředí krystal Nd:YAG sestávající ze čtyř energetických hladin E1, E2, E3 a E4 s N počtem elektronů. Počet elektronů v energetických stavech E1, E2, E3 a E4 bude N1, N2, N3 a N4.

Předpokládejme, že energetické hladiny budou E1 < E2 <E3 <E4. Energetická hladina E1 se nazývá základní stav, E2 je další vyšší energetický stav nebo excitovaný stav, E3 je metastabilní stav nebo excitovaný stav a E4 je čerpací stav nebo excitovaný stav. Předpokládejme, že na počátku bude populace N1 > N2 > N3 > N4.

Když světelná trubice nebo laserová dioda dodává světelnou energii aktivnímu prostředí (krystalu Nd:YAG), elektrony nižšího energetického stavu (E1) v iontech neodymu získají dostatek energie a přejdou do stavu čerpání nebo vyššího energetického stavu E4.

Životnost stavu čerpání nebo vyššího energetického stavu E4 je velmi malá (230 mikrosekund (µs)), takže elektrony v energetickém stavu E4 nezůstávají dlouho. Po krátké době se elektrony uvolněním nezářivé energie (uvolnění energie bez vyzáření fotonů) dostanou do dalšího nižšího energetického stavu nebo metastabilního stavu E3.

Doba života metastabilního stavu E3 je ve srovnání s dobou života čerpacího stavu E4 vysoká. Proto elektrony dosáhnou stavu E3 mnohem rychleji, než stav E3 opustí. To má za následek zvýšení počtu elektronů v metastabilním stavu E3, a proto dochází k populační inverzi.

Po určité době elektrony v metastabilním stavu E3 spadnou do dalšího nižšího energetického stavu E2 uvolněním fotonů nebo světla. Emise fotonů tímto způsobem se nazývá spontánní emise.

Doba života energetického stavu E2 je stejně jako u energetického stavu E4 velmi malá. Proto se po krátké době elektrony v energetickém stavu E2 uvolněním energie bez záření vrátí do základního stavu E1.

Když foton emitovaný v důsledku spontánní emise interaguje s jiným elektronem v metastabilním stavu, stimuluje tento elektron a uvolněním fotonu jej přiměje k pádu do nižšího energetického stavu. V důsledku toho se uvolní dva fotony. Emise fotonů tímto způsobem se nazývá stimulovaná emise záření.

Když tyto dva fotony opět interagují s elektrony metastabilního stavu, uvolní se čtyři fotony. Stejně tak jsou emitovány miliony fotonů. Tím je dosaženo optického zisku.

Spontánníemise je přirozený proces, ale stimulovaná emise není přirozený proces. Abychom dosáhli stimulované emise, musíme aktivnímu prostředí dodat vnější fotony nebo světlo.

Aktivní prostředí Nd:YAG generuje fotony nebo světlo v důsledku spontánní emise. Světlo nebo fotony generované v aktivním médiu se budou odrážet tam a zpět mezi dvěma zrcadly. To stimuluje ostatní elektrony k pádu do nižšího energetického stavu uvolněním fotonů nebo světla. Stejně tak jsou miliony elektronů stimulovány k emisi fotonů.

Světlo generované v aktivním prostředí se mnohokrát odrazí mezi zrcadly, než unikne přes částečně odrážející zrcadlo.

Výhody Nd:YAG laseru

• Nízká spotřeba energie
• Nd:YAG laser nabízí vysoký zisk.
• Nd:YAG laser má dobré tepelné vlastnosti.
• Nd:YAG laser má dobré mechanické vlastnosti.
• Účinnost Nd:YAG laseru je ve srovnání s rubínovým laserem velmi vysoká.

Aplikace Nd:YAG laseru

Vojenské

Nd:YAGlasery se používají v laserových značkovačích a laserových dálkoměrech. Laserový značkovač je laserový zdroj světla, který se používá k zaměřování objektů pro útok. Laserový dálkoměr je dálkoměr, který používá laserové světlo k určení vzdálenosti k objektu.

Medicína

Nd: YAG lasery se používají ke korekci zadní kapsulární opacifikace (stav, který může nastat po operaci katarakty).

Nd:YAGlasery se používají k odstranění rakoviny kůže.

Výroba

Nd:YAGlasery se používají k leptání nebo značení různých plastů a kovů.

Nd:YAGlasery se používají k řezání a svařování oceli

.