LASER

Nd:YAG-laser

Nd:YAG-laser definition

Neodymium-dopedYttrium Aluminum Garnet (Nd: YAG)-laser er en faststoflaser, hvor Nd: YAG anvendes som lasermedium.

Disse lasere har mange forskellige anvendelser inden for det medicinske og videnskabelige område til processer såsom Lasik-kirurgi og laserspektroskopi.

Nd: YAG-laser er et lasersystem med fire niveauer, hvilket betyder, at de fire energiniveauer er involveret i laserens virkning. Disse lasere fungerer både i pulserende og kontinuerlig tilstand.

Nd: YAG-laser genererer laserlys almindeligvis i det nærinfrarøde område af spektret ved 1064 nanometer (nm). Den udsender også laserlys ved flere forskellige bølgelængder, herunder 1440 nm, 1320 nm, 1120 nm og 940 nm.

Nd: YAG-laserens opbygning

Nd:YAG-laseren består af tre vigtige elementer: en energikilde, et aktivt medium og en optisk resonator.

Energikilde

Energikilden eller pumpekilden tilfører energi til det aktive medium for at opnå populationsinversion. I Nd: YAG-lasere anvendes lysenergikilder som f.eks. flashtube eller laserdioder som energikilde til at levere energi til det aktive medium.

Tidligere blev flashtubes for det meste anvendt som pumpekilde på grund af deres lave pris. I dag foretrækkes laserdioder imidlertid frem for flashtubes på grund af deres høje effektivitet og lave omkostninger.

Aktivt medium

Det aktive medium eller lasermedium i Nd:YAG-laseren består af et syntetisk krystallinsk materiale (Yttrium Aluminum Garnet (YAG)), der er doteret med et kemisk grundstof (neodym (Nd)). Neodymium-ionernes elektroner i den lavere energitilstand ophidses til den højere energitilstand for at give laservirkning i det aktive medium.

Optisk resonator

Nd:YAG-krystallen er placeret mellem to spejle. Disse to spejle er optisk belagt eller forsølvet.

Hvert spejl er forsølvet eller belagt forskelligt. Det ene spejl er fuldt forsølvet, mens det andet spejl er delvist forsølvet. Det spejl, der er fuldt forsølvet, vil reflektere lyset fuldstændigt og kaldes et fuldt reflekterende spejl.

Det spejl, der er delvist forsølvet, vil på den anden side reflektere det meste af lyset, men lader en lille del af lyset passere igennem for at frembringe laserstrålen. Dette spejl er kendt som et delvist reflekterende spejl.

Funktionen af Nd:YAG-laser

Nd: YAG-laser er et lasersystem med fire niveauer, hvilket betyder, at de fire energiniveauer er involveret i laserens virkning. Lysenergikilder som f.eks. flashtubes eller laserdioder anvendes til at tilføre energi til det aktive medium.

I Nd:YAG-laseren exciteres elektronerne i neodym-ionerne med lavere energitilstand til den højere energitilstand for at opnå populationsinversion.

Og tænk på et aktivt medium i Nd:YAG-krystal bestående af fire energiniveauer E1, E2, E3 og E4 med N antal elektroner. Antallet af elektroner i energitilstandene E1, E2, E3 og E4 vil være N1, N2, N3 og N4.

Lad os antage, at energiniveauerne vil være E1 < E2 <E2 <E3 <E4. Energiniveauet E1 er kendt som grundtilstanden, E2 er den næste højere energitilstand eller den exciterede tilstand, E3 er den metastable tilstand eller den exciterede tilstand, og E4 er pumpetilstanden eller den exciterede tilstand. Lad os antage, at populationen i begyndelsen vil være N1 > N2 > N3 > N4.

Når et lysrør eller en laserdiode leverer lysenergi til det aktive medium (Nd:YAG-krystal), får elektronerne i neodym-ionerne i den lavere energitilstand (E1) tilstrækkelig energi og bevæger sig til pumpetilstanden eller den højere energitilstand E4.

Livstiden for pumpetilstanden eller den højere energitilstand E4 er meget lille (230 mikrosekunder (µs)), så elektronerne i energitilstanden E4 opholder sig ikke i en lang periode. Efter en kort periode vil elektronerne falde ind i den næste lavere energitilstand eller metastabil tilstand E3 ved at frigive ikke-strålingsenergi (frigive energi uden at udsende fotoner).

Livstiden for den metastable tilstand E3 er høj sammenlignet med levetiden for pumpetilstanden E4. Derfor når elektronerne E3 meget hurtigere, end de forlader E3. Dette resulterer i en forøgelse af antallet af elektroner i den metastable E3, og dermed opnås populationsinversion.

Efter en vis periode vil elektronerne i den metastable tilstand E3 falde ind i den næste lavere energitilstand E2 ved at frigive fotoner eller lys. Emissionen af fotoner på denne måde kaldes spontan emission.

Livstiden for energitilstand E2 er meget lille ligesom energitilstand E4. Derfor vil elektronerne i energitilstand E2 efter en kort periode falde tilbage til grundtilstanden E1 ved at frigive strålingløs energi.

Når foton, der udsendes på grund af spontan emission, vekselvirker med den anden elektron i metastabil tilstand, stimulerer den denne elektron og får den til at falde tilbage til den lavere energitilstand E1 ved at frigive fotonen. Som følge heraf frigives der to fotoner. Emissionen af fotoner på denne måde kaldes stimuleret stråleemission.

Når disse to fotoner igen vekselvirkede med elektronerne i den metastable tilstand, frigives der fire fotoner. På samme måde udsendes der millioner af fotoner. Der opnås således en optisk forstærkning.

Spontanemission er en naturlig proces, men stimuleret emission er ikke en naturlig proces. For at opnå stimuleret emission er vi nødt til at tilføre eksterne fotoner eller lys til det aktive medium.

Det aktive Nd:YAG-medium genererer fotoner eller lys på grund af spontan emission. Det lys eller de fotoner, der genereres i det aktive medium, vil hoppe frem og tilbage mellem de to spejle. Dette stimulerer andre elektroner til at falde ned i den lavere energitilstand ved at frigive fotoner eller lys. På samme måde stimuleres millioner af elektroner til at udsende fotoner.

Det lys, der genereres i det aktive medium, reflekteres mange gange mellem spejlene, før det slipper ud gennem det delvist reflekterende spejl.

Fordele ved Nd:YAG-laser

• Lavt strømforbrug
• Nd:YAG-laser giver høj forstærkning.
• Nd:YAG-laser har gode termiske egenskaber.
• Nd:YAG-laser har gode mekaniske egenskaber.
• Virkningsgraden af Nd:YAG-laser er meget høj sammenlignet med rubinlaser.

Anvendelser af Nd:YAG-laser

Militær

Nd:YAG-lasere anvendes i laserdesignatorer og laserafstandsmåler. En laserdesignator er en laserlyskilde, som bruges til at målrette objekter til angreb. En laserafstandsmåler er en afstandsmåler, som bruger et laserlys til at bestemme afstanden til et objekt.

Medicin

Nd: YAG-laser anvendes til at korrigere posteriort kapselopacificering (en tilstand, der kan opstå efter en kataraktoperation).

Nd:YAGlasere bruges til at fjerne hudkræft.

Fremstilling

Nd:YAGlasere anvendes til ætsning eller mærkning af en række forskellige plasttyper og metaller.

Nd:YAGlasere bruges til at skære og svejse stål.