Definice: Nd:YAG laser je zkrácený název pro neodymem dopovaný yttrium-hliníkový granát. Jedná se o pevnolátkový a čtyřúrovňový systém, protože se skládá ze 4 energetických hladin.
Nd ionty jsou kovy vzácných zemin a jsou dopovány pevnolátkovým hostitelským krystalem, jako je yttrium-hlinitý granát (YAG – Y3Al5O12), čímž vzniká Nd:YAG laser. V důsledku dopování jsou ionty yttria nahrazeny ionty Nd3+. Také koncentrace dopování je přibližně 0,725 % hmotnostních.
Jeho pracovní princip je takový, že když je do zařízení přivedeno optické čerpání. Pak se ionty Nd dostanou na vyšší energetické hladiny a jejich přechodem vznikne laserový paprsek.
Tento laser obvykle vyzařuje světlo o vlnové délce téměř 1,064 μm.
Konstrukce Nd:YAG laseru
Nd:YAG laser se v zásadě dělí na 3 oblasti, kterými jsou aktivní médium, zdroj čerpání a optický rezonátor.
Následující obrázek ukazuje cestu jako strukturu Yd:YAG laseru:
Aktivní médium: Toto je také známé jako laserové médium a je to střední část struktury, tj. krystal Nd:YAG. V podstatě když se dodá vnější zdroj energie, pak se elektrony z nižšího energetického stavu přesunou do vyššího energetického stavu, čímž dojde k laserování.
Vnější zdroj energie: V důsledku rozdílu energetických hladin potřebují elektrony k provedení přechodu z jednoho stavu do druhého vnější čerpání. Aby tedy mohlo dojít k lasování, je zapotřebí vnější zdroj čerpání.
Základně se jako zdroj optického čerpání používá xenonová nebo kryptonová záblesková trubice.
Nd:YAG tyč a záblesková trubice jsou umístěny uvnitř eliptické dutiny tak, aby se k tyči dostalo maximum produkovaného světla.
Optický rezonátor: Dva konce Nd:YAG tyče jsou potaženy stříbrem. Jeden konec je však zcela potažen stříbrem, aby bylo dosaženo maximálního odrazu světla.
Druhý konec je potažen částečně, aby byla zajištěna cesta světelného paprsku z vnějšího zdroje k aktivnímu prostředí. Tím se vytvoří optická dutina.
Fungování Nd:YAG laseru
Jedná se o čtyřúrovňové systémy, tj. obsahuje 4 energetické úrovně. V této části tedy probereme fungování Nd:YAG laseru pomocí diagramu energetických hladin.
Následující obrázek ukazuje diagram 4 stavových energetických hladin Nd:YAG laseru:
Zde je E1 nejnižší energetický stav, zatímco E4 je nejvyšší energetická hladina. Zpočátku je však elektronů v E1 velmi mnoho ve srovnání s E4.
Takže, když se do aktivního prostředí laseru dodá vnější energie. Pak elektrony přítomné v energetickém stavu E1 získají energii a přejdou do energetického stavu E4. Protože je však E4 nestabilní stav a vykazuje krátkou životnost.
Tedy elektrony, které byly do tohoto stavu excitovány aplikací vnějšího čerpání, nezůstanou v tomto stavu po delší dobu a velmi rychle přejdou do nižšího energetického stavu E3, ale bez vyzáření fotonu.
Energetický stav E3 je metastabilní stav a vykazuje delší životnost. Elektrony v tomto konkrétním stavu tedy vydrží déle. Díky tomu bude v metastabilním stavu E3 přítomno větší množství elektronů. Tím se dosáhne populační inverze.
Jakmile se však životnost elektronů v metastabilním stavu vyčerpá, pak tyto elektrony uvolněním fotonů přejdou do nižšího energetického stavu E2.
E2 také vykazuje kratší životnost jako E4. Elektrony přítomné ve stavu E2 se tedy dostanou do stavu E1, aniž by vyzářily energii ve formě fotonu.
Takže tímto způsobem elektrony získáním jednoho fotonu energie uvolní energii 2 fotonů. Také vzhledem k tomu, že systém je vybaven optickými rezonátory, tak se vygeneruje větší počet fotonů, protože čerpaná energie se odrazí uvnitř aktivního prostředí.
Tímto způsobem několik elektronů při stimulaci vytváří fotony, čímž vzniká koherentní laserový paprsek o vlnové délce 1,064 µm.
Použití Nd:YAG laseru
Tyto lasery se používají ve vojenských aplikacích k nalezení požadovaného cíle. Tento typ laseru nachází uplatnění také ve zdravotnictví pro chirurgické účely. Používají se také při svařování a řezání oceli a také v komunikačním systému
.