LASER

Nd:YAG-Laser

Nd:YAG-Laser Definition

Neodym-dotiertesYttrium-Aluminium-Granat (Nd:YAG)-Laser ist ein Festkörperlaser, bei dem Nd:YAG als Lasermedium verwendet wird.

Diese Laser haben viele verschiedene Anwendungen im medizinischen und wissenschaftlichen Bereich für Verfahren wie Lasik-Chirurgie und Laserspektroskopie.

Nd: YAG-Laser ist ein Vier-Niveau-Lasersystem, was bedeutet, dass die vier Energieniveaus an der Laseraktion beteiligt sind. Diese Laser arbeiten sowohl im gepulsten als auch im kontinuierlichen Modus.

Nd:YAG-Laser erzeugen Laserlicht im Allgemeinen im nahen Infrarotbereich des Spektrums bei 1064 Nanometern (nm). Er emittiert auch Laserlicht bei verschiedenen Wellenlängen, darunter 1440 nm, 1320 nm, 1120 nm und 940 nm.

Nd:YAG-Laseraufbau

Nd:YAG-Laser bestehen aus drei wichtigen Elementen: einer Energiequelle, einem aktiven Medium und einem optischen Resonator.

Energiequelle

Die Energiequelle oder Pumpquelle versorgt das aktive Medium mit Energie, um eine Besetzungsinversion zu erreichen. Im Nd:YAG-Laser werden Lichtenergiequellen wie Blitzröhren oder Laserdioden als Energiequelle verwendet, um das aktive Medium mit Energie zu versorgen.

In der Vergangenheit wurden Blitzröhren wegen ihrer geringen Kosten meist als Pumpquelle verwendet. Heutzutage werden jedoch Laserdioden wegen ihrer hohen Effizienz und niedrigen Kosten gegenüber Blitzröhren bevorzugt.

Aktives Medium

Das aktive Medium oder Lasermedium des Nd:YAG-Lasers besteht aus einem synthetischen kristallinen Material (Yttrium-Aluminium-Granat (YAG)), das mit einem chemischen Element (Neodym (Nd)) dotiert ist. Die Elektronen der Neodym-Ionen, die sich in einem niedrigeren Energiezustand befinden, werden zu einem höheren Energiezustand angeregt, um eine Laserwirkung im aktiven Medium zu erzeugen.

Optischer Resonator

Der Nd:YAG-Kristall befindet sich zwischen zwei Spiegeln. Diese beiden Spiegel sind optisch beschichtet oder versilbert.

Jeder Spiegel ist unterschiedlich versilbert oder beschichtet. Ein Spiegel ist vollständig versilbert, während ein anderer Spiegel teilweise versilbert ist. Der Spiegel, der voll versilbert ist, reflektiert das Licht vollständig und wird als voll reflektierender Spiegel bezeichnet.

Andererseits reflektiert der Spiegel, der teilweise versilbert ist, den größten Teil des Lichts, lässt aber einen kleinen Teil des Lichts durch, um den Laserstrahl zu erzeugen. Dieser Spiegel wird als teilreflektierender Spiegel bezeichnet.

Arbeitsweise des Nd:YAG-Lasers

Der Nd:YAG-Laser ist ein Vier-Niveau-Lasersystem, was bedeutet, dass die vier Energieniveaus an der Laserwirkung beteiligt sind. Um das aktive Medium mit Energie zu versorgen, werden Lichtenergiequellen wie Blitzröhren oder Laserdioden verwendet.

Im Nd:YAG-Laser werden die Elektronen mit niedrigerem Energiezustand in den Neodym-Ionen zum höheren Energiezustand angeregt, um eine Besetzungsinversion zu erreichen.

Betrachten wir ein aktives Medium in einem Nd:YAG-Kristall, das aus vier Energieniveaus E1, E2, E3 und E4 mit einer Anzahl von N Elektronen besteht. Die Anzahl der Elektronen in den Energiezuständen E1, E2, E3 und E4 ist N1, N2, N3 und N4.

Wir nehmen an, dass die Energieniveaus E1 < E2 <E3 <E4 sind. Das Energieniveau E1 wird als Grundzustand bezeichnet, E2 ist der nächst höhere Energiezustand oder angeregte Zustand, E3 ist der metastabile Zustand oder angeregte Zustand und E4 ist der Pumpzustand oder angeregte Zustand. Nehmen wir an, dass die Population anfangs N1 > N2 > N3 > N4 ist.

Wenn die Blitzröhre oder die Laserdiode dem aktiven Medium (Nd:YAG-Kristall) Lichtenergie zuführt, gewinnen die Elektronen des niedrigeren Energiezustands (E1) in den Neodym-Ionen genügend Energie und wechseln in den Pumpzustand oder den höheren Energiezustand E4.

Die Lebensdauer des Pumpzustands oder des höheren Energiezustands E4 ist sehr gering (230 Mikrosekunden (µs)), so dass die Elektronen im Energiezustand E4 nicht lange verweilen. Nach kurzer Zeit fallen die Elektronen in den nächstniedrigeren Energiezustand oder metastabilen Zustand E3, indem sie Nicht-Strahlungsenergie freisetzen (Freisetzung von Energie ohne Aussendung von Photonen).

Die Lebensdauer des metastabilen Zustands E3 ist im Vergleich zur Lebensdauer des Pumpzustands E4 hoch. Daher erreichen die Elektronen E3 viel schneller als sie E3 verlassen. Dadurch erhöht sich die Anzahl der Elektronen im metastabilen Zustand E3, und es kommt zu einer Besetzungsinversion.

Nach einer gewissen Zeit fallen die Elektronen im metastabilen Zustand E3 in den nächstniedrigeren Energiezustand E2, indem sie Photonen oder Licht freisetzen. Die Emission von Photonen auf diese Weise wird als spontane Emission bezeichnet.

Die Lebensdauer des Energiezustands E2 ist ebenso wie die des Energiezustands E4 sehr gering. Daher fallen die Elektronen im Energiezustand E2 nach kurzer Zeit in den Grundzustand E1 zurück, indem sie strahlungslose Energie freisetzen.

Wenn das durch spontane Emission emittierte Photon mit dem anderen Elektron im metastabilen Zustand wechselwirkt, regt es dieses Elektron an und lässt es durch Freisetzung des Photons in den niedrigeren Energiezustand fallen. Infolgedessen werden zwei Photonen freigesetzt. Die Emission von Photonen auf diese Weise wird stimulierte Strahlungsemission genannt.

Wenn diese beiden Photonen wiederum mit den Elektronen im metastabilen Zustand wechselwirken, werden vier Photonen freigesetzt. In gleicher Weise werden Millionen von Photonen emittiert. Auf diese Weise wird ein optischer Gewinn erzielt.

Spontane Emission ist ein natürlicher Prozess, aber stimulierte Emission ist kein natürlicher Prozess. Um stimulierte Emission zu erreichen, müssen wir dem aktiven Medium externe Photonen oder Licht zuführen.

Das aktive Nd:YAG-Medium erzeugt Photonen oder Licht durch spontane Emission. Das im aktiven Medium erzeugte Licht oder die Photonen werden zwischen den beiden Spiegeln hin- und hergeschleudert. Dadurch werden andere Elektronen angeregt, in den niedrigeren Energiezustand zu fallen und Photonen oder Licht freizusetzen. Ebenso werden Millionen von Elektronen dazu angeregt, Photonen zu emittieren.

Das im aktiven Medium erzeugte Licht wird viele Male zwischen den Spiegeln reflektiert, bevor es durch den teilweise reflektierenden Spiegel entweicht.

Vorteile des Nd:YAG-Lasers

• Geringer Stromverbrauch
• Nd:YAG-Laser bietet eine hohe Verstärkung.
• Nd:YAG-Laser hat gute thermische Eigenschaften.
• Nd:YAG-Laser hat gute mechanische Eigenschaften.
• Der Wirkungsgrad von Nd:YAG-Lasern ist im Vergleich zu Rubinlasern sehr hoch.

Anwendungen von Nd:YAG-Lasern

Militärisch

Nd:YAG-Laser werden in Laserdesignatoren und Laserentfernungsmessern eingesetzt. Ein Laserdesignator ist eine Laserlichtquelle, die zum Anvisieren von Objekten verwendet wird. Ein Laserentfernungsmesser ist ein Entfernungsmesser, der mit Laserlicht die Entfernung zu einem Objekt bestimmt.

Medizin

Nd:YAG-Laser werden verwendet, um eine hintere Kapseltrübung zu korrigieren (ein Zustand, der nach einer Kataraktoperation auftreten kann).

Nd:YAG-Laser werden verwendet, um Hautkrebs zu entfernen.

Herstellung

Nd:YAG-Laser werden zum Ätzen oder Markieren einer Vielzahl von Kunststoffen und Metallen verwendet.

Nd:YAG-Laser werden zum Schneiden und Schweißen von Stahl verwendet.