LÁSER

Láser Nd:YAG

Definición de láser Nd:YAG

El láser de granate de aluminio de itrio dopado con neodimio (Nd: YAG) es un láser de estado sólido en el que se utiliza Nd: YAG como medio láser.

Estos láseres tienen muchas aplicaciones diferentes en el campo médico y científico para procesos como la cirugía Lasik y la espectroscopia láser.

El láser Nd: YAG es un sistema láser de cuatro niveles, lo que significa que los cuatro niveles de energía participan en la acción del láser. Estos láseres funcionan tanto en modo pulsado como continuo.

El láser Nd: YAG genera luz láser comúnmente en la región del infrarrojo cercano del espectro a 1064 nanómetros (nm). También emite luz láser en varias longitudes de onda diferentes, incluyendo 1440 nm, 1320 nm, 1120 nm y 940 nm.

Construcción del láser Nd: YAG

El láser Nd:YAG consta de tres elementos importantes: una fuente de energía, un medio activo y un resonador óptico.

Fuente de energía

La fuente de energía o fuente de bombeo suministra energía al medio activo para lograr la inversión de la población. En el láser Nd: YAG, las fuentes de energía luminosa, como los tubos de flash o los diodos láser, se utilizan como fuente de energía para suministrar energía al medio activo.

En el pasado, los flashtubes se utilizaban principalmente como fuente de bombeo debido a su bajo coste. Sin embargo, hoy en día se prefieren los diodos láser a los flashtubes por su alta eficiencia y bajo coste.

Medio activo

El medio activo o medio láser del láser Nd:YAG está formado por un material cristalino sintético (granate de aluminio de itrio (YAG)) dopado con un elemento químico (neodimio (Nd)). Los electrones del estado de energía más bajo de los iones de neodimio se excitan al estado de energía más alto para proporcionar una acción de láser en el medio activo.

Resonador óptico

El cristal de Nd:YAG se coloca entre dos espejos. Estos dos espejos están recubiertos ópticamente o plateados.

Cada espejo está plateado o recubierto de forma diferente. Uno de los espejos está totalmente plateado, mientras que el otro está parcialmente plateado. El espejo que está totalmente plateado reflejará completamente la luz y se conoce como espejo totalmente reflectante.

Por otro lado, el espejo que está parcialmente plateado reflejará la mayor parte de la luz pero permite que una pequeña porción de luz lo atraviese para producir el rayo láser. Este espejo se conoce como espejo parcialmente reflectante.

Funcionamiento del láser Nd:YAG

El láser Nd: YAG es un sistema láser de cuatro niveles, lo que significa que los cuatro niveles de energía participan en la acción del láser. Las fuentes de energía luminosa, como los flashtubes o los diodos láser, se utilizan para suministrar energía al medio activo.

En el láser Nd:YAG, los electrones del estado de energía más bajo de los iones de neodimio se excitan al estado de energía más alto para lograr la inversión de la población.

Consideremos un medio activo de cristal Nd:YAG que consta de cuatro niveles de energía E1, E2, E3 y E4 con un número N de electrones. El número de electrones en los estados de energía E1, E2, E3 y E4 será N1, N2, N3 y N4.

Supongamos que los niveles de energía serán E1 <E2 <E3 <E4. El nivel de energía E1 se conoce como estado de tierra, E2 es el estado de energía inmediatamente superior o estado excitado, E3 es el estado metaestable o estado excitado y E4 es el estado de bombeo o estado excitado. Supongamos que, inicialmente, la población será N1 > N2 > N3 > N4.

Cuando el tubo de luz o el diodo láser suministra energía luminosa al medio activo (cristal Nd:YAG), el estado de energía más bajo (E1) de los electrones de los iones de neodimio gana suficiente energía y pasa al estado de bombeo o estado de energía más alto E4.

El tiempo de vida del estado de bombeo o estado energético superior E4 es muy pequeño (230 microsegundos (µs)) por lo que los electrones en el estado energético E4 no permanecen durante mucho tiempo. Después de un corto período, los electrones caerán en el siguiente estado de energía inferior o estado metaestable E3 mediante la liberación de energía de no radiación (liberación de energía sin emitir fotones).

El tiempo de vida del estado metaestable E3 es alto en comparación con el tiempo de vida del estado de bombeo E4. Por lo tanto, los electrones llegan a E3 mucho más rápido de lo que salen de E3. Esto da lugar a un aumento del número de electrones en el estado metaestable E3 y, por lo tanto, se consigue la inversión de la población.

Después de un cierto período, los electrones del estado metaestable E3 caerán en el siguiente estado de energía más bajo E2 liberando fotones o luz. La emisión de fotones de esta manera se llama emisión espontánea.

El tiempo de vida del estado energético E2 es muy pequeño al igual que el estado energético E4. Por lo tanto, después de un corto período, los electrones en el estado de energía E2 caerán de nuevo al estado de tierra E1 liberando energía sin radiación.

Cuando el fotón emitido debido a la emisión espontánea interactúa con el otro electrón del estado metaestable, estimula a ese electrón y lo hace caer al estado de energía más bajo liberando el fotón. Como resultado, se liberan dos fotones. La emisión de fotones de esta manera se llama emisión estimulada de radiación.

Cuando estos dos fotones vuelven a interactuar con los electrones del estado metaestable, se liberan cuatro fotones. Asimismo, se emiten millones de fotones. Así, se consigue la ganancia óptica.

La emisión espontánea es un proceso natural, pero la emisión estimulada no lo es. Para lograr la emisión estimulada, necesitamos suministrar fotones o luz externos al medio activo.

El medio activo Nd:YAG genera fotones o luz debido a la emisión espontánea. La luz o los fotones generados en el medio activo rebotarán entre los dos espejos. Esto estimula a otros electrones a caer en el estado de energía más bajo liberando fotones o luz. Del mismo modo, millones de electrones son estimulados para emitir fotones.

La luz generada en el medio activo se refleja muchas veces entre los espejos antes de escapar a través del espejo parcialmente reflectante.

Ventajas del láser Nd:YAG

• Bajo consumo de energía
• El láser Nd:YAG ofrece una alta ganancia.
• El láser Nd:YAG tiene buenas propiedades térmicas.
• El láser Nd:YAG tiene buenas propiedades mecánicas.
• La eficiencia del láser Nd:YAG es muy alta en comparación con el láser de rubí.

Aplicaciones del láser Nd:YAG

Militar

Los láseres Nd:YAG se utilizan en designadores láser y telémetros láser. Un designador láser es una fuente de luz láser que se utiliza para apuntar a objetos para atacarlos. Un telémetro láser es un telémetro que utiliza una luz láser para determinar la distancia a un objeto.

Medicina

Los láseres de Nd: YAG se utilizan para corregir la opacificación capsular posterior (una condición que puede ocurrir después de una cirugía de cataratas).

Los láseres de Nd:YAG se utilizan para eliminar los cánceres de piel.

Fabricación

Los láseres de Nd:YAG se utilizan para grabar o marcar una variedad de plásticos y metales.

Los láseres de Nd:YAG se utilizan para cortar y soldar acero.