Nd: YAG laser - Nd:YAG laser

Nd: YAG laser s otevřeným víkem ukazující frekvenčně zdvojené 532 nm zelené světlo

Nd: YAG laser rod

Nd: YAG ( neodymem dopovaný ytriový hliníkový granát ; Nd: Y ₃ Al ₅ O ₁₂ ) je krystal, který se používá jako laserové médium pro lasery v pevné fázi . Dotující látka , natřikrát ionizované neodymu Nd (III), typicky nahrazuje malou část (1%) z yttria iontů v hostitelském krystalové struktury YAG (YAG), protože tyto dva ionty jsou podobné velikosti. Je to neodymový ion, který poskytuje krystalovou aktivitu v krystalu, stejným způsobem jako červený chromový ion v rubínových laserech .

Laserová operace Nd: YAG byla poprvé demonstrována JE Geusic et al. v Bell Laboratories v roce 1964.

Technologie

Neodymové ionty v různých typech iontových krystalů, a také v brýlích, působí jako médium pro zesílení laseru, typicky vyzařující 1064 nm světlo z určitého atomového přechodu v neodymovém iontu poté, co bylo „napumpováno“ do excitace z externího zdroje

Lasery Nd: YAG jsou opticky čerpány pomocí zábleskové trubice nebo laserových diod . Jedná se o jeden z nejběžnějších typů laserů a používá se v mnoha různých aplikacích. Nd: YAG lasery obvykle vyzařují v infračerveném světle světlo o vlnové délce 1064 nm . Existují však také přechody v blízkosti 946, 1120, 1320 a 1440 nm. Lasery Nd: YAG pracují v pulzním i kontinuálním režimu. Pulzní lasery Nd: YAG se typicky provozují v takzvaném režimu Q-přepínání : Optický spínač je vložen do laserové dutiny a čeká na maximální inverzi populace v neodymových iontech, než se otevře. Potom může světelná vlna procházet dutinou a vylidňovat excitované laserové médium při maximální inverzi populace. V tomto režimu s přepínáním Q bylo dosaženo výstupních výkonů 250 megawattů a trvání pulsu 10 až 25 nanosekund. Pulzy s vysokou intenzitou lze účinně frekvenčně zdvojnásobit, aby generovaly laserové světlo při 532 nm, nebo vyšší harmonické při 355, 266 a 213 nm.

Nd: YAG absorbuje většinou v pásmech mezi 730–760 nm a 790–820 nm. Při nízkých proudových hustotách mají kryptonové výbojky v těchto pásmech vyšší výkon než běžnější xenonové výbojky, které produkují více světla kolem 900 nm. Ty první jsou proto účinnější pro čerpání laserů Nd: YAG.

Množství neodymové příměsi v materiálu se liší podle jeho použití. Pro výstup s kontinuální vlnou je doping výrazně nižší než pro pulzní lasery. Lehce dotované tyčinky CW lze opticky odlišit tím, že jsou méně barevné, téměř bílé, zatímco pruty s vyšší dotací jsou růžově purpurové.

Dalšími běžnými hostitelskými materiály pro neodym jsou: YLF ( fluorid ytritý lithný , 1047 a 1053 nm), YVO ₄ ( ortovanadát yttritý , 1064 nm) a sklo . Konkrétní hostitelský materiál je vybrán za účelem získání požadované kombinace optických, mechanických a tepelných vlastností. Nd: YAG lasery a varianty jsou čerpány buď pomocí zábleskových trubic , kontinuálních plynových výbojek nebo blízkých infračervených laserových diod ( DPSS lasery ). Předem se ukázalo, že předbilizované laserové (PSL) typy Nd: YAG laserů jsou zvláště užitečné při zajišťování hlavních paprsků pro interferometry gravitačních vln, jako jsou LIGO , VIRGO , GEO600 a TAMA .

Aplikace

Lék

Fotografie štěrbinové lampy zadní kapsulární opacifikace viditelná několik měsíců po implantaci nitrooční čočky do oka, viditelná na retroilluminaci

Nd: YAG lasery jsou používány v oftalmologii ke korekci pozadí kapsulární zakalení , po operaci šedého operací, periferní iridotomii u pacientů s chronickým a akutním glaukomu s uzavřeným úhlem , kde se z velké části nahrazované chirurgické iridektomii , pro léčbu sklovitých očních plovácích , na pánvi -retinal fotokoagulace v léčbě proliferativní diabetické retinopatie , a k poškození na sítnici v oblasti výzkumu oftalmologie zvířat.

Nd: YAG lasery vyzařující světlo při 1064 nm byly nejpoužívanějším laserem pro laserem indukovanou termoterapii , ve které jsou paprskem ablovány benigní nebo maligní léze v různých orgánech.

V onkologii lze k odstranění rakoviny kůže použít lasery Nd: YAG . Používají se také ke snížení benigních uzlin štítné žlázy a ke zničení primárních a sekundárních maligních jaterních lézí.

K léčbě benigní hyperplázie prostaty (BPH) lze k laserové operaci prostaty použít lasery Nd: YAG - formu transuretrální resekce prostaty .

Tyto lasery se také široce používají v oblasti kosmetické medicíny pro laserové odstraňování chloupků a léčbu drobných cévních defektů, jako jsou žilky na obličeji a nohou. Nd: YAG lasery se také používají k léčbě lézí rtů na žilním jezeře. V poslední době se Nd: YAG lasery používají k léčbě disekující celulitidy pokožky hlavy , vzácného kožního onemocnění.

Pomocí hysteroskopie byl laser Nd: YAG použit k odstranění děložních přepážek uvnitř dělohy.

V podiatrii se laser Nd: YAG používá k léčbě onychomykózy , což je plísňová infekce nehtu na nohou. Přednosti léčby těchto infekcí laserem nejsou dosud jasné a provádí se výzkum s cílem zjistit účinnost.

Zubní lékařství

Zubní lasery Nd: YAG byly použity k odstraňování zubních zubů jako alternativa k terapii vrtákem, ačkoli důkazy podporující jeho použití jsou nízké kvality. Byly také použity pro operace měkkých tkání v ústní dutině , jako je gingivektomie , periodontální sulkulární debridement , LANAP a pulpotomie . Zubní lasery Nd: YAG se také ukázaly jako účinné při léčbě a prevenci zubní přecitlivělosti, jako doplněk pro periodontální instrumentaci a pro léčbu rekurentní aftózní stomatitidy .

Výrobní

Lasery Nd: YAG se používají při výrobě pro gravírování, leptání nebo značení různých kovů a plastů nebo pro procesy vylepšení povrchu kovů, jako je laserové peening . Jsou široce používány ve výrobě pro řezání a svařování oceli, polovodičů a různých slitin. Pro automobilové aplikace (řezání a svařování oceli) jsou úrovně výkonu obvykle 1–5 kW. Vrtání do vysoce legovaných slitin (pro části plynových turbín) obvykle používá pulzní lasery Nd: YAG (milisekundové impulsy, bez přepínání Q). Lasery Nd: YAG se také používají k vytváření podpovrchových značek v průhledných materiálech, jako je sklo nebo akrylové sklo . K selektivní laserové tavbě kovů při výrobě aditivních vrstev se používají lasery až do 2 kW. V leteckých aplikacích je lze použít k vrtání chladicích otvorů pro zvýšení účinnosti proudění vzduchu/odvodu tepla.

Lasery Nd: YAG se také používají v nekonvenčních procesech rychlého prototypování laserového inženýrství síťového tvarování (LENS).

Laserové peening obvykle využívá vysoce energetické (10 až 40 Joule), 10 až 30 nanosekundové pulzní laserové systémy k generování gigawattů energie na povrchu části zaostřením laserového paprsku na průměr několika milimetrů. Laserové peening je na rozdíl od ostatních výrobních postupů v tom, že nezahřívá ani nepřidává materiál; jedná se o mechanický proces tváření kovové součásti za studena za účelem získání zbytkových tlakových napětí. Laserové peening je široce používáno v plynových turbínových motorech jak v letectví, tak ve výrobě energie pro zlepšení tolerance poškození součástí a zvýšení únavové životnosti a pevnosti.

Dynamika tekutin

Lasery Nd: YAG lze použít pro techniky vizualizace toku v dynamice tekutin (například velocimetrie částicového obrazu nebo laserem indukovaná fluorescence ).

Biofyzika

Nd: YAG lasery se často používají k výrobě optických pinzet pro biologické aplikace. Důvodem je, že lasery Nd: YAG většinou emitují na vlnové délce 1064 nm. Biologické vzorky mají na této vlnové délce nízký koeficient absorpce, protože biologické vzorky jsou většinou tvořeny vodou. Použití laseru Nd: YAG jako takového minimalizuje poškození studovaného biologického vzorku.

Automobilový průmysl

Vědci z japonských národních institutů přírodních věd vyvíjejí laserové zapalovače, které používají čipy YAG k zapalování paliva v motoru, místo zapalovací svíčky . Lasery používají k zapálení paliva několik 800 pikosekundových dlouhých impulzů, které produkují rychlejší a rovnoměrnější zapalování. Vědci tvrdí, že takovéto zapalovače by mohly přinést lepší výkon a úsporu paliva s menším množstvím škodlivých emisí.

Válečný

Vojenský přebytek střelby laserovým dálkoměrem Nd: YAG. Laser vystřelí přes kolimátor a zaostří paprsek, který vystřelí díru gumovým blokem a uvolní výbuch plazmy.

Laser Nd: YAG je nejběžnějším laserem používaným v laserových značkovačích a laserových dálkoměrech .

Během íránsko -irácké války utrpěli íránští vojáci více než 4 000 případů laserového poranění očí způsobeného řadou iráckých zdrojů včetně dálkoměrů tanků. Vlnová délka 1064 nm Nd: YAG je považována za obzvláště nebezpečnou, protože je neviditelná a počáteční expozice je bezbolestná.

Čínský ZM-87 oslňující laserovou zbraň používá laser tohoto typu, i když jen 22 byly vyrobeny v důsledku jejich zákazu ze strany Úmluvy o některých konvenčních zbraních . Severní Korea údajně v roce 2003 použila jednu z těchto zbraní proti americkým vrtulníkům.

Dutinová prstencová spektroskopie (CRDS)

Nd: YAG lze použít při aplikaci dutinové prstencové spektroskopie , která se používá k měření koncentrace některých látek absorbujících světlo.

Laserem indukovaná spektroskopie rozpadu (LIBS)

Při analýze prvků v periodické tabulce se používá řada Nd: YAG laserů. Ačkoli je aplikace sama o sobě poměrně nová, pokud jde o konvenční metody, jako je XRF nebo ICP, ukázala se jako méně časově náročná a levnější možnost testování koncentrací prvků. Vysoce výkonný laser Nd: YAG je zaostřen na povrch vzorku a produkuje plazmu . Světlo z plazmy je zachyceno spektrometry a lze identifikovat charakteristická spektra každého prvku, což umožňuje měřit koncentrace prvků ve vzorku.

Laserové čerpání

Lasery Nd: YAG, zejména prostřednictvím své druhé a třetí harmonické, se široce používají k excitaci barvivových laserů buď v kapalném nebo pevném stavu . Používají se také jako čerpací zdroje pro vibračně rozšířené polovodičové lasery jako Cr ⁴⁺ : YAG nebo prostřednictvím druhé harmonické pro čerpání Ti: safírových laserů .

Další frekvence

Pro mnoho aplikací je infračervené světlo zdvojnásobeno nebo zkráceno pomocí nelineárních optických materiálů , jako je triborát lithný, aby bylo získáno viditelné (532 nm, zelené) nebo ultrafialové světlo. Cesium lithium boritan generuje 4. a 5. harmonickou základní vlnové délky Nd: YAG 1064 nm. Zelené laserové ukazovátko je kmitočet zdvojnásobený Nd: YVO ₄ diodami čerpaný polovodičový laser ( DPSS laser ). Nd: YAG lze také nechat lasovat na jiné než hlavní vlnové délce. Linka při 946 nm se obvykle používá v DPSS laserech s „modrým laserovým ukazovátkem“, kde se zdvojnásobí na 473 nm.

Fyzikální a chemické vlastnosti Nd: YAG

Vlastnosti krystalu YAG

• Vzorec: Y ₃ Al ₅ O ₁₂
• Molekulová hmotnost: 596,7
• Krystalová struktura: krychlová
• Tvrdost: 8–8,5 (Mohs)
• Teplota tání: 1970 ° C (3540 ° F)
• Hustota: 4,55 g / cm ³

Index lomu Nd: YAG

Vlastnosti Nd: YAG při 25 ° C (s 1% Nd dopingu)

• Vzorec: Y _2,97 Nd _0,03 Al ₅ O ₁₂
• Hmotnost Nd: 0,725%
• Atomy Nd na jednotku objemu: 1,38 x 10 ²⁰ / cm ³
• Stav nabití Nd: 3 ⁺
• Emisní vlnová délka: 1064 nm
• Přechod: ⁴ F _3/2 → ⁴ I _11/2
• Trvání fluorescence: 230 μs
• Tepelná vodivost: 0,14 W · cm ⁻¹ · K ⁻¹
• Specifická tepelná kapacita: 0,59 J · g ⁻¹ · K ⁻¹
• Tepelná roztažnost: 6,9 × 10 ⁻⁶ K ⁻¹
• d n /d T : 7,3 × 10 ⁻⁶ K ⁻¹
• Youngův modul: 3,17 × 10 ⁴ K · g/mm ⁻²
• Poissonův poměr: 0,25
• Odolnost proti tepelnému šoku: 790 W · m ⁻¹

Reference a poznámky

• Siegman, Anthony E. (1986). Lasery . Univerzitní vědecké knihy. ISBN 978-0-935702-11-8.
• Koechner, Walter (1988). Solid-State Laser Engineering (2. vyd.). Springer-Verlag. ISBN 978-3-540-18747-9.