LÁZER

Nd:YAG lézer

Nd:YAG lézer definíciója

A neodímiummal adalékolt ittrium-alumínium-gránát (Nd:YAG) lézer olyan szilárdtest lézer, amelyben Nd:YAG-ot használnak lézermédiumként.

Ezeknek a lézereknek számos különböző alkalmazása van az orvostudomány és a tudomány területén olyan folyamatoknál, mint a lézeres sebészet és a lézerspektroszkópia.

A Nd: YAG lézer négyszintű lézerrendszer, ami azt jelenti, hogy a lézerhatásban négy energiaszint vesz részt. Ezek a lézerek impulzusos és folyamatos üzemmódban is működnek.

Az Nd: YAG-lézer általában a spektrum közeli infravörös tartományában, 1064 nanométeren (nm) generál lézerfényt. Emellett számos különböző hullámhosszon bocsát ki lézerfényt, többek között 1440 nm, 1320 nm, 1120 nm és 940 nm hullámhosszon.

Nd:YAG lézer felépítése

A Nd:YAG lézer három fontos elemből áll: energiaforrás, aktív közeg és optikai rezonátor.

Energiaforrás

Az energiaforrás vagy pumpaforrás energiát szolgáltat az aktív közegnek a populációinverzió elérése érdekében. Az Nd: YAG lézerben az aktív közeg energiaellátásához energiaforrásként fényenergiaforrásokat, például villanócsövet vagy lézerdiódákat használnak.

A múltban főként a villanócsöveket használták szivattyúforrásként alacsony költsége miatt. Manapság azonban a lézerdiódákat részesítik előnyben a flashtube-okkal szemben, mivel azok nagy hatékonyságúak és olcsók.

aktív közeg

Az Nd:YAG-lézer aktív közege vagy lézermédiuma szintetikus kristályos anyagból (ittrium-alumínium-gránát (YAG)) áll, amelyet egy kémiai elemmel (neodímium (Nd)) adalékolnak. A neodímiumionok alacsonyabb energiaállapotú elektronjait magasabb energiaállapotba gerjesztik, hogy az aktív közegben lézerhatást fejtsenek ki.

Optikai rezonátor

Az Nd:YAG kristály két tükör között helyezkedik el. Ez a két tükör optikailag bevonva vagy ezüstözve van.

Minden tükör különböző módon van ezüstözve vagy bevonva. Az egyik tükör teljesen ezüstözött, míg a másik tükör részben ezüstözött. Az a tükör, amelyik teljesen ezüstözött, teljesen visszaveri a fényt, és teljesen visszaverő tükörnek nevezik.

A részben ezüstözött tükör viszont a fény nagy részét visszaveri, de a fény egy kis részét átengedi rajta a lézersugár előállításához. Ezt a tükröt részlegesen tükröző tükörnek nevezzük.

A Nd:YAG lézer működése

A Nd:YAG lézer négyszintű lézerrendszer, ami azt jelenti, hogy a lézer működésében négy energiaszint vesz részt. Az aktív közeg energiaellátására olyan fényenergiaforrásokat használnak, mint a villanócsövek vagy a lézerdiódák.

Az Nd:YAG lézerben a neodímiumionokban lévő alacsonyabb energiaállapotú elektronokat a magasabb energiaállapotba gerjesztik, hogy populációs inverziót érjenek el.

Fogjuk fel az Nd:YAG kristály aktív közeget, amely négy energiaszintből E1, E2, E3 és E4 áll, N számú elektronnal. Az E1, E2, E3 és E4 energiaállapotokban lévő elektronok száma N1, N2, N3 és N4 lesz.

Tegyük fel, hogy az energiaszintek E1 < E2 <E3 <E4 lesznek. Az E1 energiaszintet alapállapotnak nevezzük, E2 a következő magasabb energiájú állapot vagy gerjesztett állapot, E3 a metastabil állapot vagy gerjesztett állapot, E4 pedig a szivattyúállapot vagy gerjesztett állapot. Tegyük fel, hogy kezdetben a populáció N1 > N2 > N3 > N4.

Amikor a lézercső vagy lézerdióda fényenergiát szolgáltat az aktív közegnek (Nd:YAG kristály), a neodímiumionok alacsonyabb energiaállapotú (E1) elektronjai elegendő energiát nyernek, és a szivattyúállapotba vagy az E4 magasabb energiaállapotba kerülnek.

A szivattyúállapot vagy az E4 magasabb energiaállapot élettartama nagyon kicsi (230 mikroszekundum (µs)), így az E4 energiaállapotban lévő elektronok nem maradnak hosszú ideig. Rövid idő elteltével az elektronok a következő alacsonyabb energiaállapotba vagy az E3 metastabil állapotba esnek a nem sugárzási energia felszabadításával (energiafelszabadítás fotonok kibocsátása nélkül).

A metastabil E3 állapot élettartama nagy az E4 szivattyúállapot élettartamához képest. Ezért az elektronok sokkal gyorsabban érik el az E3-at, mint ahogyan elhagyják az E3-at. Ez a metastabil E3-ban lévő elektronok számának növekedését eredményezi, és így populációs inverzió jön létre.

Egy bizonyos idő után az E3 metastabil állapotban lévő elektronok fotonok vagy fény kibocsátásával a következő, alacsonyabb energiájú E2 állapotba esnek. A fotonok ilyen módon történő kibocsátását spontán emissziónak nevezzük.

Az E2 energiaállapot élettartama az E4 energiaállapothoz hasonlóan nagyon kicsi. Ezért az E2 energiaállapotban lévő elektronok rövid idő elteltével sugárzásmentes energia felszabadításával visszahullnak az E1 alapállapotba.

Amikor a spontán emisszió következtében kibocsátott foton kölcsönhatásba lép a másik metastabil állapotú elektronnal, stimulálja azt az elektront, és a foton felszabadításával alacsonyabb energiaállapotba esik. Ennek eredményeként két foton szabadul fel. A fotonok ilyen módon történő kibocsátását stimulált sugárzási emissziónak nevezzük.

Amikor ez a két foton ismét kölcsönhatásba lép a metastabil állapotú elektronokkal, négy foton szabadul fel. Hasonlóképpen több millió fotont bocsátanak ki. Így optikai erősítés érhető el.

A spontánemisszió természetes folyamat, de a stimulált emisszió nem természetes folyamat. A stimulált emisszió eléréséhez külső fotonokat vagy fényt kell juttatnunk az aktív közegbe.

A Nd:YAG aktív közeg spontán emisszió következtében fotonokat vagy fényt generál. Az aktív közegben keletkező fény vagy fotonok oda-vissza pattognak a két tükör között. Ez arra serkenti a többi elektront, hogy a fotonok vagy fény felszabadításával alacsonyabb energiaállapotba essenek. Hasonlóképpen elektronok millióit stimulálják fotonok kibocsátására.

Az aktív közegben keletkező fény többször is visszaverődik a tükrök között, mielőtt a részben visszaverődő tükrön keresztül távozik.

Az Nd:YAG lézer előnyei

• Alacsony energiafogyasztás
• Az Nd:YAG lézer nagy erősítést kínál.
• Az Nd:YAG lézer jó termikus tulajdonságokkal rendelkezik.
• Az Nd:YAG lézer jó mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik.
• Az Nd:YAG lézer hatékonysága nagyon magas a rubinlézerhez képest.

Az Nd:YAG lézer alkalmazásai

Katonai

Az Nd:YAG lézereket lézerkijelölőkben és lézeres távolságmérőkben használják. A lézerkijelölő egy lézerfényforrás, amelyet támadandó objektumok megcélzására használnak. A lézeres távolságmérő egy távolságmérő, amely lézerfényt használ egy tárgy távolságának meghatározására.

Medicina

A Nd: YAG lézereket a hátsó kapszuláris homályosodás (a szürkehályogműtét után fellépő állapot) korrigálására használják.

A Nd:YAG-lézereket bőrrák eltávolítására használják.

Feldolgozás

A Nd:YAG-lézereket különféle műanyagok és fémek maratására vagy jelölésére használják.

A Nd:YAG-lézereket acél vágására és hegesztésére használják

.