LASER

Laser Nd:YAG laser

Definicja lasera Nd:YAG

Laser Nd:YAG (ang. Neodymium-dopedYttrium Aluminum Garnet, Nd: YAG) jest laserem półprzewodnikowym, w którym Nd: YAG jest używany jako medium laserowe.

Lasery te mają wiele różnych zastosowań w dziedzinie medycyny i nauki w procesach takich jak chirurgia Lasik i spektroskopia laserowa.

Laser Nd: YAG jest czteropoziomowym systemem laserowym, co oznacza, że cztery poziomy energii są zaangażowane w działanie lasera. Lasery te działają zarówno w trybie impulsowym, jak i ciągłym.

Laser Nd: YAG generuje światło laserowe powszechnie w regionie bliskiej podczerwieni widma przy 1064 nanometrach (nm). Emituje on również światło laserowe o kilku różnych długościach fali, w tym 1440 nm, 1320 nm, 1120 nm i 940 nm.

Budowa lasera Nd: YAG

Laser Nd:YAG składa się z trzech ważnych elementów: źródła energii, czynnika aktywnego i rezonatora optycznego.

Źródło energii

Źródło energii lub źródło pompy dostarcza energię do czynnika aktywnego w celu osiągnięcia inwersji populacji. W laserze Nd: YAG źródła energii świetlnej, takie jak lampy błyskowe lub diody laserowe, są wykorzystywane jako źródła energii do dostarczania energii do ośrodka czynnego.

W przeszłości, flashtuby są najczęściej używane jako źródło pompy ze względu na niski koszt. Jednak obecnie diody laserowe są preferowane w stosunku do lamp błyskowych ze względu na ich wysoką wydajność i niski koszt.

Środek czynny

Środek czynny lub środek laserowy lasera Nd:YAG składa się z syntetycznego materiału krystalicznego (Yttrium Aluminum Garnet (YAG)) domieszkowanego pierwiastkiem chemicznym (neodymem (Nd)). Niższy stan energetyczny elektronów jonów neodymu jest wzbudzany do wyższego stanu energetycznego, aby zapewnić działanie lasingowe w ośrodku aktywnym.

Rezonator optyczny

Kryształ Nd:YAG jest umieszczony pomiędzy dwoma zwierciadłami. Te dwa zwierciadła są optycznie powlekane lub srebrzone.

Każde zwierciadło jest posrebrzane lub powlekane w inny sposób. Jedno zwierciadło jest całkowicie posrebrzone, podczas gdy drugie jest częściowo posrebrzone. Lustro, które jest całkowicie posrebrzone, będzie całkowicie odbijać światło i jest znane jako lustro w pełni odbijające.

Z drugiej strony, lustro, które jest częściowo posrebrzane, odbija większość światła, ale przepuszcza przez siebie niewielką część światła w celu wytworzenia wiązki laserowej. Takie lustro jest znane jako lustro częściowo odbijające.

Praca lasera Nd:YAG

Laser Nd: YAG jest czteropoziomowym systemem laserowym, co oznacza, że cztery poziomy energii są zaangażowane w działanie lasera. Źródła energii świetlnej, takie jak lampy błyskowe lub diody laserowe, są wykorzystywane do dostarczania energii do czynnika aktywnego.

W laserze Nd:YAG elektrony niższego stanu energetycznego w jonach neodymu są wzbudzane do wyższego stanu energetycznego w celu osiągnięcia inwersji populacji.

Rozważmy czynnik aktywny kryształu Nd:YAG składający się z czterech poziomów energetycznych E1, E2, E3 i E4 z N liczbą elektronów. Liczba elektronów w stanach energetycznych E1, E2, E3, i E4 będzie wynosiła N1, N2, N3, i N4.

Załóżmy, że poziomami energetycznymi będą E1 < E2 <E3 <E4. Poziom energetyczny E1 jest znany jako stan podstawowy, E2 to następny wyższy stan energetyczny lub stan wzbudzony, E3 to stan metastabilny lub stan wzbudzony, a E4 to stan pompy lub stan wzbudzony. Załóżmy, że początkowo populacja będzie N1 > N2 > N3 > N4.

Whenflashtube lub dioda laserowa dostarcza energię świetlną do aktywnego medium (kryształ Nd:YAG), niższy stan energetyczny (E1) elektronów w jonach neodymu zyskuje wystarczającą energię i przechodzi do stanu pompy lub wyższego stanu energetycznego E4.

Żywotność pompy lub wyższego stanu energetycznego E4 jest bardzo mała (230 mikrosekund (µs)), więc elektrony w stanie energetycznym E4 nie pozostają na długi okres. Po krótkim czasie elektrony wpadną w następny niższy stan energetyczny lub stan metastabilny E3 poprzez uwolnienie energii niepromienistej (uwolnienie energii bez emisji fotonów).

Czas życia stanu metastabilnego E3 jest duży w porównaniu do czasu życia stanu pompowego E4. Dlatego elektrony docierają do E3 znacznie szybciej niż opuszczają E3. Powoduje to wzrost liczby elektronów w metastabilnym E3 i stąd inwersja populacji jest osiągnięta.

Po pewnym okresie, elektrony w metastabilnym stanie E3 spadną do następnego niższego stanu energetycznego E2 poprzez uwolnienie fotonów lub światła. Emisja fotonów w ten sposób nazywana jest emisją spontaniczną.

Czas życia stanu energetycznego E2 jest bardzo mały podobnie jak stanu energetycznego E4. Dlatego, po krótkim czasie, elektrony w stanie energetycznym E2 spadną z powrotem do stanu podstawowego E1 uwalniając bezpromienistą energię.

Gdy foton wyemitowany w wyniku emisji spontanicznej oddziałuje z innym elektronem w stanie metastabilnym, pobudza ten elektron i sprawia, że spada on do niższego stanu energetycznego uwalniając foton. W efekcie uwalniane są dwa fotony. Emisja fotonów w ten sposób nazywana jest stymulowaną emisją promieniowania.

Gdy te dwa fotony ponownie oddziaływały z elektronami stanu metastabilnego, uwalniane są cztery fotony. Podobnie, miliony fotonów są emitowane. Tak więc, wzmocnienie optyczne jest osiągnięty.

Spontanicznaemisja jest procesem naturalnym, ale stymulowana emisja nie jest procesem naturalnym. Aby osiągnąć stymulowaną emisję, musimy dostarczyć zewnętrzne fotony lub światło do aktywnego medium.

Centrum aktywne Nd:YAG generuje fotony lub światło dzięki emisji spontanicznej. Światło lub fotony generowane w aktywnym medium odbijają się tam i z powrotem pomiędzy dwoma lustrami. Stymuluje to inne elektrony do popadnięcia w niższy stan energetyczny poprzez uwolnienie fotonów lub światła. Podobnie, miliony elektronów są stymulowane do emisji fotonów.

Światło generowane w aktywnym medium jest wielokrotnie odbijane pomiędzy lustrami, zanim wydostanie się przez częściowo odbijające lustro.

Wady lasera Nd:YAG

• Niskie zużycie energii
• Laser Nd:YAG oferuje wysokie wzmocnienie.
• Laser Nd:YAG ma dobre właściwości termiczne.
• Laser Nd:YAG ma dobre właściwości mechaniczne.
• Sprawność lasera Nd:YAG jest bardzo wysoka w porównaniu z laserem rubinowym.

Applicationsof Nd:YAG laser

Military

Lasery Nd:YAG są używane w projektorach laserowych i dalmierzach laserowych. Celownik laserowy to źródło światła laserowego, które jest używane do namierzania obiektów do ataku. Dalmierz laserowy to dalmierz, który wykorzystuje światło laserowe do określania odległości do obiektu.

Medycyna

Lasery Nd: YAG są stosowane do korygowania niedowidzenia tylnej torebki oka (stan, który może wystąpić po operacji zaćmy).

Lasery Nd:YAG są stosowane do usuwania nowotworów skóry.

Produkcja

Lasery Nd:YAG są używane do wytrawiania lub znakowania różnych tworzyw sztucznych i metali.

Lasery Nd:YAG są używane do cięcia i spawania stali.

.