Definition: Nd:YAG-laser er den forkortelse, der anvendes for neodym-doped Yttrium Aluminium Garnet. Det er et faststof- og 4-niveausystem, da det består af 4 energiniveauer.
Nd-ionen er et sjældent jordartsmetal, og den er doteret med et faststof-værtskrystal som yttriumaluminiumgranat (YAG – Y3Al5O12) for at danne Nd:YAG-laser. På grund af doteringen erstattes yttriumionerne af Nd3+-ioner. Desuden er dopingkoncentrationen ca. 0,725 vægtprocent.
Dets funktionsprincip er sådan, at når enheden forsynes med optisk pumpning. Så bliver Nd-ionerne hævet til højere energiniveauer, og deres overgang producerer en laserstråle.
Denne laser udsender generelt lys med en bølgelængde på næsten 1,064 μm.
Opbygning af Nd:YAG-laser
Nd:YAG-laser er grundlæggende kategoriseret i 3 domæner, som er det aktive medium, pumpekilden og den optiske resonator.
Figuren nedenfor viser vejen som opbygningen af Yd:YAG-laser:
Aktivt medium: Dette er også kendt som lasermediet og er den midterste del af strukturen, dvs. Nd:YAG-krystallen. Grundlæggende, når den eksterne energikilde tilvejebringes, bevæger elektronerne sig fra en lavere energitilstand til en højere energitilstand og forårsager derved, at der sker en laseraktion.
Ekstern energikilde: På grund af forskellen i energiniveauer har elektronerne brug for en ekstern pumpning for at kunne foretage en overgang fra den ene tilstand til den anden. Så for at lasereaktionen kan finde sted, kræves der en ekstern pumpekilde.
Grundlæggende anvendes xenon- eller kryptonblitzrøret som kilde til optisk pumpning.
Nd:YAG-stangen og flashrøret er placeret inde i et elliptisk hulrum, således at det maksimale producerede lys kan nå staven.
Optisk resonator: Nd:YAG-stangen og flashrøret er placeret inde i et elliptisk hulrum, således at det maksimale producerede lys kan nå staven.
Optisk resonator: De to ender af Nd:YAG-stangen er belagt med sølv. Den ene ende er dog helt belagt med sølv for at opnå maksimal lysreflektion.
Mens den anden ende er delvist belagt for at give lysstrålen fra en ekstern kilde mulighed for at nå det aktive medium. Derved dannes et optisk hulrum.
Funktionen af Nd:YAG-laser
Det er et 4-niveau-system, dvs. at det indeholder 4 energiniveauer. Så i dette afsnit vil vi diskutere Nd:YAG-laserens funktion ved hjælp af energiniveaudiagrammet.
Figuren nedenfor viser energiniveaudiagrammet med 4 tilstande for Nd:YAG-laser:
Her er E1 den laveste energitilstand, mens E4 er det højeste energiniveau. I begyndelsen er elektronerne i E1 dog meget højere end i E4.
Så, når der tilføres ekstern energi i laserens aktive medium. Så får de elektroner, der er til stede i energitilstand E1, energi og bevæger sig til energitilstand E4. Men da E4 er en ustabil tilstand og har en kort levetid.
Derfor vil elektroner, der blev exciteret til denne tilstand ved anvendelse af ekstern pumpning, ikke forblive i denne tilstand i meget længere tid og kommer meget hurtigt til den lavere energitilstand E3, men uden at udstråle nogen foton.
Energitilstand E3 er den metastable tilstand og udviser en længere levetid. Elektronerne i denne særlige tilstand vil altså vare i længere tid. På grund af dette vil der være flere elektroner til stede i den metastable tilstand E3. Dermed opnås populationsinversion.
Men når elektronernes levetid i den metastable tilstand er opbrugt, kommer disse elektroner ved at frigive fotoner til den lavere energitilstand E2.
E2 har også en kortere levetid som E4. Elektroner, der befinder sig i tilstand E2, vil således komme til E1 uden at udstråle energi i form af en foton.
Så på denne måde frigiver elektroner ved at få en enkelt foton energi energien fra 2 fotoner. Da systemet er udstyret med optiske resonatorer, vil der også blive genereret flere fotoner, da den pumpede energi vil blive reflekteret inde i det aktive medium.
På denne måde producerer flere elektroner ved stimulering fotoner og genererer derved en kohærent laserstråle på 1,064 µm.
Anvendelser af Nd:YAG-laser
Disse anvendes i militære anvendelser til at finde det ønskede mål. Denne type laser finder også anvendelse inden for det medicinske område til kirurgiske formål. De anvendes også til svejsning og skæring af stål og i kommunikationssystemer.