LASER

Nd:YAG laser

Definizione laser Nd:YAG

Neodymium-dopedYttrium Aluminum Garnet (Nd: YAG) laser è un laser a stato solido in cui Nd: YAG è usato come mezzo laser.

Questi laser hanno molte applicazioni diverse nel campo medico e scientifico per processi come la chirurgia Lasik e la spettroscopia laser.

Il laser Nd: YAG è un sistema laser a quattro livelli, il che significa che i quattro livelli di energia sono coinvolti nell’azione laser. Questi laser operano sia in modalità pulsata che continua.

Nd: YAG laser genera luce laser comunemente nella regione del vicino infrarosso dello spettro a 1064 nanometri (nm). Emette anche luce laser a diverse lunghezze d’onda tra cui 1440 nm, 1320 nm, 1120 nm e 940 nm.

Costruzione del laser Nd: YAG

Il laser Nd:YAG consiste di tre elementi importanti: una fonte di energia, un mezzo attivo e un risonatore ottico.

Sorgente di energia

La fonte di energia o fonte di pompa fornisce energia al mezzo attivo per ottenere l’inversione di popolazione. Nel laser Nd: YAG, le sorgenti di energia luminosa come il flashtube o i diodi laser sono usati come sorgente di energia per fornire energia al mezzo attivo.

In passato, i flashtubes sono per lo più utilizzati come sorgente di pompa a causa del suo basso costo. Tuttavia, al giorno d’oggi, i diodi laser sono preferiti ai tubi fluorescenti per la loro alta efficienza e il basso costo.

Medio attivo

Il mezzo attivo o mezzo laser del laser Nd:YAG è costituito da un materiale cristallino sintetico (Yttrium Aluminum Garnet (YAG)) drogato con un elemento chimico (neodimio (Nd)). Gli elettroni dello stato di energia inferiore degli ioni di neodimio sono eccitati allo stato di energia superiore per fornire l’azione laser nel mezzo attivo.

Risonatore ottico

Il cristallo Nd:YAG è posto tra due specchi. Questi due specchi sono rivestiti otticamente o argentati.

Ogni specchio è argentato o rivestito in modo diverso. Uno specchio è completamente argentato mentre un altro specchio è parzialmente argentato. Lo specchio che è completamente argentato rifletterà completamente la luce ed è conosciuto come specchio completamente riflettente.

D’altra parte, lo specchio parzialmente argentato rifletterà la maggior parte della luce ma lascia passare una piccola porzione di luce per produrre il raggio laser. Questo specchio è conosciuto come uno specchio parzialmente riflettente.

Funzionamento del laser Nd:YAG

Il laser Nd: YAG è un sistema laser a quattro livelli, il che significa che i quattro livelli di energia sono coinvolti nell’azione laser. Le fonti di energia luminosa, come le lampadine o i diodi laser, sono utilizzate per fornire energia al mezzo attivo.

Nel laser Nd:YAG, gli elettroni dello stato di energia inferiore negli ioni di neodimio sono eccitati allo stato di energia superiore per ottenere l’inversione di popolazione.

Consideriamo un mezzo attivo del cristallo Nd:YAG costituito da quattro livelli di energia E1, E2, E3 e E4 con N numero di elettroni. Il numero di elettroni negli stati energetici E1, E2, E3 e E4 sarà N1, N2, N3 e N4.

Prevediamo che i livelli di energia saranno E1 < E2 <E3 <E4. Il livello energetico E1 è conosciuto come stato di terra, E2 è lo stato di energia superiore successivo o stato eccitato, E3 è lo stato metastabile o stato eccitato ed E4 è lo stato di pompa o stato eccitato. Supponiamo che inizialmente, la popolazione sarà N1 > N2 > N3 > N4.

Quando il tubo flessibile o il diodo laser fornisce energia luminosa al mezzo attivo (cristallo Nd:YAG), gli elettroni dello stato di energia inferiore (E1) negli ioni di neodimio guadagnano abbastanza energia e si muovono verso lo stato di pompa o stato di energia superiore E4.

La durata di vita dello stato di pompa o stato di energia superiore E4 è molto piccola (230 microsecondi (µs)) quindi gli elettroni nello stato di energia E4 non rimangono a lungo. Dopo un breve periodo, gli elettroni cadranno nel successivo stato di energia inferiore o stato metastabile E3 rilasciando energia di non-radiazione (rilasciando energia senza emettere fotoni).

La vita dello stato metastabile E3 è alta rispetto alla vita dello stato di pompa E4. Pertanto, gli elettroni raggiungono E3 molto più velocemente di quanto lasciano E3. Questo si traduce in un aumento del numero di elettroni nel metastabile E3 e quindi si ottiene l’inversione di popolazione.

Dopo un certo periodo, gli elettroni nello stato metastabile E3 cadranno nel successivo stato di energia inferiore E2 rilasciando fotoni o luce. L’emissione di fotoni in questo modo è chiamata emissione spontanea.

La vita dello stato energetico E2 è molto piccola proprio come lo stato energetico E4. Pertanto, dopo un breve periodo, gli elettroni nello stato energetico E2 ricadranno nello stato di terra E1 rilasciando energia senza radiazioni.

Quando il fotone emesso a causa dell’emissione spontanea interagisce con l’altro elettrone dello stato metastabile, stimola quell’elettrone e lo fa cadere nello stato di energia inferiore rilasciando il fotone. Come risultato, vengono rilasciati due fotoni. L’emissione di fotoni in questo modo è chiamata emissione stimolata di radiazione.

Quando questi due fotoni interagiscono nuovamente con gli elettroni di stato metastabile, vengono rilasciati quattro fotoni. Allo stesso modo, vengono emessi milioni di fotoni. Così, si ottiene il guadagno ottico.

L’emissione spontanea è un processo naturale, ma l’emissione stimolata non è un processo naturale. Per ottenere l’emissione stimolata, abbiamo bisogno di fornire fotoni esterni o luce al mezzo attivo.

Il mezzo attivo Nd:YAG genera fotoni o luce a causa dell’emissione spontanea. La luce o i fotoni generati nel mezzo attivo rimbalzano avanti e indietro tra i due specchi. Questo stimola altri elettroni a cadere nello stato di energia inferiore rilasciando fotoni o luce. Allo stesso modo, milioni di elettroni sono stimolati a emettere fotoni.

La luce generata all’interno del mezzo attivo viene riflessa molte volte tra gli specchi prima di sfuggire attraverso lo specchio parzialmente riflettente.

Svantaggi del laser Nd:YAG

• Basso consumo energetico
• Il laser Nd:YAG offre un alto guadagno.
• Il laser Nd:YAG ha buone proprietà termiche.
• Il laser Nd:YAG ha buone proprietà meccaniche.
• L’efficienza del laser Nd:YAG è molto alta rispetto al laser al rubino.

Applicazioni del laser Nd:YAG

Militare

I laser Nd:YAG sono usati in designatori laser e telemetri laser. Un designatore laser è una sorgente di luce laser che viene usata per mirare agli oggetti da attaccare. Un telemetro laser è un telemetro che usa una luce laser per determinare la distanza di un oggetto.

Medicina

I laser Nd: YAG sono usati per correggere l’opacizzazione capsulare posteriore (una condizione che può verificarsi dopo un intervento di cataratta).

I laser Nd:YAG sono usati per rimuovere i tumori della pelle.

Fabbricazione

I laser Nd:YAG sono usati per incidere o marcare una varietà di materie plastiche e metalli.

I laser Nd:YAG sono usati per tagliare e saldare l’acciaio.