LASER

Nd:YAG-laseri

Nd:YAG-laserin määritelmä

Neodyymilla seostettu yttriumalumiinigranaatti (Nd:YAG) -laser on kiinteän tilan laser, jossa lasermediumina käytetään Nd:YAG:a.

Neillä lasereilla on monia erilaisia sovelluksia lääketieteen ja tieteen alalla prosesseissa, kuten Lasik-kirurgiassa ja laserspektroskopiassa.

Nd: YAG-laser on nelitasoinen laserjärjestelmä, mikä tarkoittaa, että neljä energiatasoa osallistuu laserin toimintaan. Nämä laserit toimivat sekä pulssitetussa että jatkuvassa tilassa.

Nd: YAG-laser tuottaa laservaloa yleisesti spektrin lähi-infrapuna-alueella 1064 nanometrissä (nm). Se lähettää myös laservaloa useilla eri aallonpituuksilla, kuten 1440 nm, 1320 nm, 1120 nm ja 940 nm.

Nd:YAG-laserin rakenne

Nd:YAG-laser koostuu kolmesta tärkeästä elementistä: energialähteestä, aktiivisesta väliaineesta ja optisesta resonaattorista.

Energialähde

Energialähde tai pumppulähde syöttää energiaa aktiiviseen väliaineeseen populaatioinversion aikaansaamiseksi. Nd:YAG-laserissa energialähteenä käytetään valoenergialähteitä, kuten valoputkea tai laserdiodia, energian syöttämiseksi aktiiviseen väliaineeseen.

Viime aikoina pumppulähteenä on käytetty enimmäkseen valoputkia sen alhaisen hinnan vuoksi. Nykyään käytetään kuitenkin mieluummin laserdioodeja kuin flashtubeja, koska niiden hyötysuhde on korkea ja kustannukset alhaiset.

Aktiivinen väliaine

Nd:YAG-laserin aktiivinen väliaine tai lasermedia koostuu synteettisestä kiteisestä materiaalista (yttrium-alumiinigranaatti (YAG)), joka on seostettu kemiallisella alkuaineella (neodyymi (Nd)). Neodyymi-ionien alemman energiatilan elektronit kiihdytetään korkeampaan energiatilaan, jotta aktiivisessa väliaineessa saadaan aikaan laseritoiminta.

Optinen resonaattori

Nd:YAG-kide on sijoitettu kahden peilin väliin. Nämä kaksi peiliä on optisesti pinnoitettu tai hopeoitu.

Kumpikin peili on hopeoitu tai pinnoitettu eri tavalla. Toinen peili on täysin hopeoitu, kun taas toinen peili on osittain hopeoitu. Täysin hopeoitu peili heijastaa valon täysin, ja sitä kutsutaan täysin heijastavaksi peiliksi.

Toisaalta osittain hopeoitu peili heijastaa suurimman osan valosta, mutta päästää pienen osan valosta sen läpi lasersäteen tuottamiseksi. Tätä peiliä kutsutaan osittain heijastavaksi peiliksi.

Nd:YAG-laserin toiminta

Nd:YAG-laser on nelitasoinen laserjärjestelmä, mikä tarkoittaa, että neljä energiatasoa osallistuu laserin toimintaan. Valoenergialähteitä, kuten valoputkia tai laserdiodia, käytetään energian syöttämiseen aktiiviseen väliaineeseen.

Nd:YAG-laserissa neodyymi-ionien alemman energiatilan elektronit kiihdytetään korkeampaan energiatilaan populaatioinversion aikaansaamiseksi.

Tarkastellaan Nd:YAG-kiteen aktiivista väliaineita, jotka koostuvat neljästä energiatasosta E1, E2, E3 ja E4, joissa on N määrä elektroneja. Energiatilojen E1, E2, E3 ja E4 elektronien lukumäärä on N1, N2, N3 ja N4.

Oletetaan, että energiatasot ovat E1 < E2 <E3 <E4. Energiatasoa E1 kutsutaan perustilaksi, E2 on seuraavaksi korkeampi energiatila tai herätetila, E3 on metastabiili tila tai herätetila ja E4 on pumpputila tai herätetila. Oletetaan, että aluksi populaatio on N1 > N2 > N3 > N4.

Kun lasiputki tai laserdiodi syöttää valoenergiaa aktiiviseen väliaineeseen (Nd:YAG-kide), neodyymi-ionien alemman energiatilan (E1) elektronit saavat tarpeeksi energiaa ja siirtyvät pumpputilaan tai korkeampaan energiatilaan E4.

Pumpputilan tai korkeamman energiatilan E4 elinikä on hyvin pieni (230 mikrosekuntia (µs)), joten elektronit energiatilassa E4 eivät pysy pitkään. Lyhyen ajan kuluttua elektronit putoavat seuraavaan alempaan energiatilaan tai metastabiiliin tilaan E3 vapauttamalla ei-säteilyenergiaa (vapauttamalla energiaa emittoimatta fotoneja).

Metastabiilin tilan E3 elinaika on suuri verrattuna pumpputilan E4 elinaikaan. Siksi elektronit saapuvat E3:een paljon nopeammin kuin ne poistuvat E3:sta. Tämä johtaa elektronien määrän kasvuun metastabiilissa E3:ssa ja näin saavutetaan populaatioinversio.

Jonkin ajan kuluttua metastabiilissa tilassa E3 olevat elektronit putoavat seuraavaan alhaisemman energian tilaan E2 vapauttamalla fotoneja tai valoa. Fotonien emissiota tällä tavoin kutsutaan spontaaniksi emissioksi.

Energiatilan E2 elinikä on hyvin pieni aivan kuten energiatilan E4. Siksi lyhyen ajan kuluttua energiatilassa E2 olevat elektronit putoavat takaisin perustilaan E1 vapauttamalla säteilemätöntä energiaa.

Kun spontaaniemissiosta emittoitunut fotoni joutuu vuorovaikutukseen toisen metastabiilin tilan elektronin kanssa, se stimuloi kyseistä elektronia ja saa sen putoamaan alempaan energiatilaan vapauttamalla fotonin. Tämän seurauksena vapautuu kaksi fotonia. Tällä tavoin tapahtuvaa fotonien emissiota kutsutaan stimuloiduksi säteilyemissioksi.

Kun nämä kaksi fotonia taas vuorovaikuttavat metastabiilin tilan elektronien kanssa, vapautuu neljä fotonia. Samoin emittoituu miljoonia fotoneja. Näin saavutetaan optinen vahvistus.

Spontaaniemissio on luonnollinen prosessi, mutta stimuloitu emissio ei ole luonnollinen prosessi. Stimuloidun emission aikaansaamiseksi aktiiviseen väliaineeseen on syötettävä ulkoisia fotoneja tai valoa.

Nd:YAG:n aktiivinen väliaine tuottaa fotoneja tai valoa spontaanin emission ansiosta. Aktiivisessa väliaineessa syntyvä valo tai fotonit kimpoavat edestakaisin kahden peilin välillä. Tämä stimuloi muita elektroneja putoamaan alempaan energiatilaan vapauttamalla fotoneja tai valoa. Samoin miljoonia elektroneja stimuloidaan emittoimaan fotoneja.

Aktiivisessa väliaineessa syntyvä valo heijastuu monta kertaa peilien välillä, ennen kuin se poistuu osittain heijastavan peilin läpi.

Nd:YAG-laserin edut

• Alhainen virrankulutus
• Nd:YAG-laser tarjoaa suuren vahvistuksen.
• Nd:YAG-laserilla on hyvät lämpöominaisuudet.
• Nd:YAG-laserilla on hyvät mekaaniset ominaisuudet.
• Nd:YAG-laserin hyötysuhde on erittäin korkea verrattuna rubiinilasereihin.

Nd:YAG-laserin sovellukset

Sotilaalliset

Nd:YAG-lasereita käytetään lasermerkinantolaitteissa ja laseretäisyysmittareissa. Laserkosketin on laservalonlähde, jota käytetään kohteiden kohdentamiseen hyökkäystä varten. Laseretäisyysmittari on etäisyysmittari, joka käyttää laservaloa kohteen etäisyyden määrittämiseen.

Lääketiede

Nd: YAG-lasereita käytetään korjaamaan posteriorista kapselitummennusta (tila, joka voi ilmetä kaihileikkauksen jälkeen).

Nd:YAG-lasereita käytetään ihosyöpien poistamiseen.

Työstö

Nd:YAG-lasereita käytetään erilaisten muovien ja metallien syövyttämiseen tai merkitsemiseen.

Nd:YAGlasereita käytetään teräksen leikkaamiseen ja hitsaamiseen

.