LASER

Nd:YAG-laser

Nd:YAG-laser definitie

Neodymium-gedoopt-Yttrium Aluminium Garnet (Nd: YAG) laser is een vastestoflaser waarin Nd: YAG als lasermedium wordt gebruikt.

Deze lasers hebben veel verschillende toepassingen op medisch en wetenschappelijk gebied voor processen zoals Lasik-chirurgie en laserspectroscopie.

Nd: YAG-laser is een lasersysteem met vier niveaus, wat betekent dat de vier energieniveaus betrokken zijn bij de laseractie. Deze lasers werken zowel in gepulseerde als in continue modus.

Nd: YAG-laser genereert laserlicht dat gewoonlijk in het nabij-infrarode gebied van het spectrum bij 1064 nanometer (nm) ligt. Hij zendt ook laserlicht uit bij verschillende golflengten, waaronder 1440 nm, 1320 nm, 1120 nm, en 940 nm.

Nd: YAG laserconstructie

Nd:YAG laser bestaat uit drie belangrijke elementen: een energiebron, actief medium, en optische resonator.

Energiebron

De energiebron of pompbron levert energie aan het actieve medium om populatie-inversie te bereiken. In Nd: YAG-laser, worden de lichte energiebronnen zoals flitsbuis of laserdioden gebruikt als energiebron om energie aan het actieve middel te leveren.

In het verleden werden flashtubes meestal gebruikt als pompbron vanwege de lage kosten. Tegenwoordig wordt echter de voorkeur gegeven aan laserdioden boven flashtubes vanwege het hoge rendement en de lage kosten.

Actief medium

Het actieve medium of lasermedium van de Nd:YAG-laser bestaat uit een synthetisch kristallijn materiaal (Yttrium Aluminium Garnet (YAG)), gedoteerd met een chemisch element (neodymium (Nd)). De elektronen van de lagere energietoestand van de neodymiumionen worden geëxciteerd tot de hogere energietoestand om voor de lasingactie in het actieve medium te zorgen.

Optische resonator

Het Nd:YAG-kristal wordt tussen twee spiegels geplaatst. Deze twee spiegels zijn optisch gecoat of verzilverd.

Elke spiegel is verschillend verzilverd of gecoat. De ene spiegel is volledig verzilverd, terwijl de andere spiegel gedeeltelijk is verzilverd. De spiegel die volledig is verzilverd, weerkaatst het licht volledig en wordt volledig reflecterende spiegel genoemd.

De gedeeltelijk verzilverde spiegel daarentegen weerkaatst het grootste deel van het licht, maar laat een klein deel van het licht door voor de productie van de laserstraal. Deze spiegel staat bekend als een gedeeltelijk reflecterende spiegel.

Werking van Nd:YAG laser

Nd: YAG laser is een lasersysteem met vier niveaus, wat betekent dat de vier energieniveaus betrokken zijn bij de laseractie. De lichtenergiebronnen zoals flitsbuizen of laserdioden worden gebruikt om energie aan het actieve middel te leveren.

In Nd:YAG-laser, worden de elektronen in de lagere energietoestand in de neodymiumionen geëxciteerd tot de hogere energietoestand om populatie-inversie te bereiken.

Beschouw een Nd:YAG-kristal actief middel dat bestaat uit vier energieniveaus E1, E2, E3, en E4 met N aantal elektronen. Het aantal elektronen in de energietoestanden E1, E2, E3, en E4 zal N1, N2, N3, en N4 zijn.

Laten we aannemen dat de energieniveaus E1 < E2 <E3 <E4 zullen zijn. Het energieniveau E1 is bekend als grondtoestand, E2 is de volgende hogere energietoestand of aangeslagen toestand, E3 is de metastabiele toestand of aangeslagen toestand en E4 is de pomptoestand of aangeslagen toestand. Laten we aannemen dat de populatie aanvankelijk N1 > N2 > N3 > N4.

Wanneer de flitsbuis of laserdiode lichtenergie aan het actieve medium (Nd:YAG-kristal) levert, winnen de elektronen in de lagere energietoestand (E1) van de neodymiumionen voldoende energie en gaan naar de pomptoestand of hogere energietoestand E4.

De levensduur van de pomptoestand of hogere energietoestand E4 is zeer klein (230 microseconden (µs)), zodat de elektronen in de energietoestand E4 niet voor een lange periode blijven. Na een korte periode vallen de elektronen in de volgende lagere energietoestand of metastabiele toestand E3 door het afgeven van niet-stralingsenergie (het afgeven van energie zonder fotonen uit te zenden).

De levensduur van metastabiele toestand E3 is hoog in vergelijking met de levensduur van pompstaat E4. Daarom bereiken de elektronen E3 veel sneller dan ze E3 verlaten. Dit resulteert in een toename van het aantal elektronen in de metastabiele toestand E3 en daardoor wordt populatie-inversie bereikt.

Na enige tijd zullen de elektronen in de metastabiele toestand E3 in de volgende lagere energietoestand E2 vallen door fotonen of licht vrij te geven. De emissie van fotonen op deze wijze wordt spontane emissie genoemd.

De levensduur van energietoestand E2 is zeer klein, net als die van energietoestand E4. Daarom zullen de elektronen in de energietoestand E2 na een korte periode terugvallen naar de grondtoestand E1 door het afgeven van stralingsloze energie.

Wanneer het foton dat wordt uitgezonden als gevolg van spontane emissie in wisselwerking treedt met het andere metastabiele elektron, stimuleert het dat elektron en doet het vallen in de lagere energietoestand door het foton af te geven. Als gevolg daarvan komen twee fotonen vrij. De emissie van fotonen op deze wijze wordt gestimuleerde emissie van straling genoemd.

Wanneer deze twee fotonen weer in wisselwerking staan met de metastabiele toestand elektronen, komen er vier fotonen vrij. Op dezelfde manier worden miljoenen fotonen uitgezonden. Aldus wordt optische winst bereikt.

Spontane emissie is een natuurlijk proces, maar gestimuleerde emissie is geen natuurlijk proces. Om gestimuleerde emissie te bereiken, moeten we externe fotonen of licht aan het actieve medium toevoeren.

Het actieve medium Nd:YAG genereert fotonen of licht door middel van spontane emissie. Het licht of de fotonen die in het actieve medium worden opgewekt, kaatsen heen en weer tussen de twee spiegels. Dit stimuleert andere elektronen om in de lagere energietoestand te vallen door fotonen of licht vrij te geven. Op dezelfde wijze worden miljoenen elektronen gestimuleerd om fotonen uit te zenden.

Het in het actieve medium opgewekte licht wordt vele malen tussen de spiegels weerkaatst voordat het door de gedeeltelijk reflecterende spiegel ontsnapt.

Voordelen van Nd:YAG laser

• Laag stroomverbruik
• Nd:YAG laser biedt een hoge versterking.
• Nd:YAG laser heeft goede thermische eigenschappen.
• Nd:YAG laser heeft goede mechanische eigenschappen.
• Het rendement van Nd:YAG laser is zeer hoog in vergelijking met de robijn laser.

Toepassingen van Nd:YAG laser

Militair

Nd:YAGlasers worden gebruikt in laser designators en laser rangefinders. Een laser designator is een laserlichtbron die wordt gebruikt om objecten aan te vallen. Een laserafstandsmeter is een afstandsmeter, die een laserlicht gebruikt om de afstand tot een voorwerp te bepalen.

Medicine

Nd: YAG-lasers worden gebruikt om posterieure capsulaire troebeling te corrigeren (een aandoening die kan optreden na een cataractoperatie).

Nd:YAG-lasers worden gebruikt om huidkankers te verwijderen.

Fabricage

Nd:YAGlasers worden gebruikt voor het etsen of markeren van een verscheidenheid aan kunststoffen en metalen.

Nd:YAGlasers worden gebruikt voor het snijden en lassen van staal.