LASER

Nd:YAG-laser

Nd:YAG-laser definition

Nd:YAG-laser (Nd:YAG-laser) är en solid state-laser där Nd:YAG används som lasermedium.

Dessa lasrar har många olika tillämpningar inom det medicinska och vetenskapliga området för processer som Lasik-kirurgi och laserspektroskopi.

Nd: YAG-laser är ett lasersystem med fyra nivåer, vilket innebär att de fyra energinivåerna är inblandade i laserverkan. Dessa lasrar fungerar både i pulsat och kontinuerligt läge.

Nd: YAG-laser genererar laserljus vanligen i det nära infraröda området av spektrumet vid 1064 nanometer (nm). Den avger också laserljus vid flera olika våglängder, bland annat 1440 nm, 1320 nm, 1120 nm och 940 nm.

Nd:YAG-lasers uppbyggnad

Nd:YAG-laser består av tre viktiga delar: en energikälla, ett aktivt medium och en optisk resonator.

Energikälla

Energikällan eller pumpkällan förser det aktiva mediet med energi för att åstadkomma populationsinversion. I Nd: YAG-laser används ljusenergikällor som t.ex. flashtuber eller laserdioder som energikälla för att leverera energi till det aktiva mediet.

Förr användes oftast flashtubes som pumpkälla på grund av dess låga kostnad. Numera föredras dock laserdioder framför flashtubes på grund av dess höga effektivitet och låga kostnad.

Aktivt medium

Det aktiva mediet eller lasermediet i Nd:YAG-lasern består av ett syntetiskt kristallint material (Yttrium Aluminium Garnet (YAG)) som är dopat med ett kemiskt grundämne (neodym (Nd)). Neodymjonernas elektroner i det lägre energitillståndet exciteras till det högre energitillståndet för att ge laserverkan i det aktiva mediet.

Optisk resonator

Nd:YAG-kristallen är placerad mellan två speglar. Dessa två speglar är optiskt belagda eller försilvrade.

Varje spegel är försilvrad eller belagd på olika sätt. En spegel är helt försilvrad medan en annan spegel är delvis försilvrad. Den spegel som är helt försilvrad reflekterar ljuset fullständigt och kallas fullt reflekterande spegel.

Den spegel som är delvis försilvrad kommer å andra sidan att reflektera större delen av ljuset men släpper igenom en liten del av ljuset för att producera laserstrålen. Denna spegel kallas för en delvis reflekterande spegel.

Funktionen hos Nd:YAG-laser

Nd: YAG-laser är ett lasersystem med fyra nivåer, vilket innebär att de fyra energinivåerna är involverade i laserverkan. Ljusenergikällor som blixtljus eller laserdioder används för att tillföra energi till det aktiva mediet.

I Nd:YAG-laser exciteras elektronerna med lägre energitillstånd i neodymjonerna till det högre energitillståndet för att uppnå populationsinversion.

Föreställ dig ett aktivt medium i en Nd:YAG-kristall som består av fyra energinivåer E1, E2, E3 och E4 med N antal elektroner. Antalet elektroner i energilägena E1, E2, E3 och E4 blir N1, N2, N3 och N4.

Låt oss anta att energinivåerna kommer att vara E1 < E2 <E3 <E4. Energinivån E1 är känd som grundtillstånd, E2 är det nästa högre energitillståndet eller det exciterade tillståndet, E3 är det metastabila tillståndet eller det exciterade tillståndet och E4 är pumptillståndet eller det exciterade tillståndet. Låt oss anta att populationen till en början kommer att vara N1 > N2 > N3 > N4.

När ett blixtrör eller en laserdiod levererar ljusenergi till det aktiva mediet (Nd:YAG-kristallen) får elektronerna i neodymjonerna i det lägre energitillståndet (E1) tillräckligt med energi och flyttar sig till pumptillståndet eller det högre energitillståndet E4.

Livslängden för pumptillståndet eller det högre energitillståndet E4 är mycket liten (230 mikrosekunder (µs)) så elektronerna i energitillståndet E4 stannar inte länge. Efter en kort period faller elektronerna in i nästa lägre energitillstånd eller metastabila tillstånd E3 genom att frigöra icke-strålningsenergi (frigöra energi utan att emittera fotoner).

Livslängden för det metastabila tillståndet E3 är hög jämfört med livslängden för pumptillståndet E4. Därför når elektronerna E3 mycket snabbare än de lämnar E3. Detta resulterar i en ökning av antalet elektroner i det metastabila tillståndet E3 och därmed uppnås populationsinversion.

Efter en viss tid kommer elektronerna i det metastabila tillståndet E3 att falla in i nästa lägre energitillstånd E2 genom att avge fotoner eller ljus. Emissionen av fotoner på detta sätt kallas spontan emission.

Livslängden för energitillståndet E2 är mycket liten precis som energitillståndet E4. Därför kommer elektronerna i energitillståndet E2 efter en kort tid att falla tillbaka till grundtillståndet E1 genom att frigöra strålningsfri energi.

När den foton som avges på grund av spontan emission interagerar med den andra elektronen i det metastabila tillståndet stimulerar den elektronen och får den att falla tillbaka till det lägre energitillståndet genom att frigöra fotonen. Som ett resultat av detta frigörs två fotoner. Emission av fotoner på detta sätt kallas stimulerad strålningsemission.

När dessa två fotoner återigen interagerar med elektronerna i det metastabila tillståndet frigörs fyra fotoner. På samma sätt avges miljontals fotoner. På så sätt uppnås optisk förstärkning.

Spontanemission är en naturlig process, men stimulerad emission är inte en naturlig process. För att uppnå stimulerad emission måste vi tillföra externa fotoner eller ljus till det aktiva mediet.

Det aktiva mediet Nd:YAG genererar fotoner eller ljus på grund av spontan emission. Ljuset eller fotonerna som genereras i det aktiva mediet studsar fram och tillbaka mellan de två speglarna. Detta stimulerar andra elektroner att falla ner i det lägre energitillståndet genom att frigöra fotoner eller ljus. På samma sätt stimuleras miljontals elektroner att avge fotoner.

Det ljus som genereras i det aktiva mediet reflekteras många gånger mellan speglarna innan det släpps ut genom den delvis reflekterande spegeln.

Fördelar med Nd:YAG-laser

• Låg energiförbrukning
• Nd:YAG-laser erbjuder hög förstärkning.
• Nd:YAG-laser har goda termiska egenskaper.
• Nd:YAG-laser har goda mekaniska egenskaper.
• Verkningsgraden hos Nd:YAG-laser är mycket hög jämfört med rubinlaser.

Användningsområden för Nd:YAG-laser

Militärt

Nd:YAG-laser används i laserdesignatorer och laseravståndsmätare. En laserdesignator är en laserljuskälla som används för att sikta in sig på objekt som ska attackeras. En laseravståndsmätare är en avståndsmätare, som använder laserljus för att bestämma avståndet till ett objekt.

Medicin

Nd: YAG-laser används för att korrigera bakre kapselöppning (ett tillstånd som kan uppstå efter en kataraktoperation).

Nd:YAGlaser används för att avlägsna hudcancer.

Förtillverkning

Nd:YAGlaser används för etsning eller märkning av olika plaster och metaller.

Nd:YAGlaser används för att skära och svetsa stål.