Definition: Nd:YAG-Laser ist die Kurzform für Neodym-dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat. Es handelt sich um ein Festkörper- und 4-Niveau-System, da es aus 4 Energieniveaus besteht.
Nd-Ionen sind Seltenerdmetalle und werden mit einem Festkörper-Wirtskristall wie Yttrium-Aluminium-Granat (YAG – Y3Al5O12) dotiert, um Nd:YAG-Laser zu bilden. Durch die Dotierung werden die Yttrium-Ionen durch Nd3+-Ionen ersetzt. Die Dotierungskonzentration beträgt etwa 0,725 Gew.-%.
Das Funktionsprinzip ist so, dass, wenn das Gerät optisch gepumpt wird. Dann werden die Nd-Ionen auf höhere Energieniveaus angehoben und ihr Übergang erzeugt einen Laserstrahl.
Dieser Laser emittiert im Allgemeinen Licht mit einer Wellenlänge von etwa 1,064 μm.
Aufbau des Nd:YAG-Lasers
Der Nd:YAG-Laser ist grundsätzlich in 3 Bereiche unterteilt, nämlich das aktive Medium, die Pumpquelle und den optischen Resonator.
Die folgende Abbildung zeigt den Aufbau des Nd:YAG-Lasers:
Aktives Medium: Dies wird auch als das Lasermedium bezeichnet und ist der mittlere Teil der Struktur, d.h. der Nd:YAG-Kristall. Wenn eine externe Energiequelle zur Verfügung gestellt wird, bewegen sich die Elektronen von einem niedrigeren Energiezustand in einen höheren Energiezustand und verursachen dadurch eine Laserwirkung.
Externe Energiequelle: Aufgrund der unterschiedlichen Energieniveaus benötigen die Elektronen ein externes Pumpen, um von einem Zustand in einen anderen zu wechseln. Daher ist für den Laservorgang eine externe Pumpquelle erforderlich.
Als Quelle für das optische Pumpen wird in diesem Fall eine Xenon- oder Krypton-Blitzröhre verwendet.
Der Nd:YAG-Stab und die Blitzröhre befinden sich in einem elliptischen Hohlraum, so dass das maximal erzeugte Licht den Stab erreichen kann.
Optischer Resonator: Die beiden Enden des Nd:YAG-Stabs sind mit Silber beschichtet. Ein Ende ist jedoch vollständig mit Silber beschichtet, um eine maximale Lichtreflexion zu erreichen.
Das andere Ende ist teilweise beschichtet, um dem Lichtstrahl von einer externen Quelle einen Weg zum aktiven Medium zu bieten. Dadurch entsteht ein optischer Hohlraum.
Arbeitsweise des Nd:YAG-Lasers
Es handelt sich um ein 4-Niveau-System, d.h. es enthält 4 Energieniveaus. Daher werden wir in diesem Abschnitt die Funktionsweise des Nd:YAG-Lasers mit Hilfe des Energieniveaudiagramms erörtern.
Die folgende Abbildung zeigt das 4-Zustands-Energieniveaudiagramm des Nd:YAG-Lasers:
Hier ist E1 der niedrigste Energiezustand, während E4 das höchste Energieniveau ist. Zu Beginn ist die Anzahl der Elektronen in E1 jedoch sehr viel höher als in E4.
Wenn also externe Energie in das aktive Medium des Lasers eingebracht wird. Dann gewinnen die im Energiezustand E1 befindlichen Elektronen an Energie und gehen in den Energiezustand E4 über. Da E4 jedoch ein instabiler Zustand ist, weist er eine kurze Lebensdauer auf.
Daher bleiben die Elektronen, die durch die Anwendung von externem Pumpen in diesen Zustand angeregt wurden, nicht lange in diesem Zustand und kommen sehr schnell in den niedrigeren Energiezustand E3, ohne jedoch ein Photon abzustrahlen.
Der Energiezustand E3 ist der metastabile Zustand und weist eine längere Lebensdauer auf. Das bedeutet, dass die Elektronen in diesem Zustand länger bestehen bleiben. Aus diesem Grund werden mehr Elektronen im metastabilen Zustand E3 vorhanden sein. Dadurch wird eine Populationsumkehr erreicht.
Aber sobald die Lebensdauer der Elektronen im metastabilen Zustand erschöpft ist, kommen diese Elektronen durch die Freisetzung von Photonen in den niedrigeren Energiezustand E2.
E2 weist ebenfalls eine kürzere Lebensdauer als E4 auf. Die Elektronen, die sich im Zustand E2 befinden, gehen also in den Zustand E1 über, ohne Energie in Form eines Photons abzustrahlen.
Auf diese Weise geben die Elektronen, indem sie ein einziges Photon an Energie gewinnen, die Energie von 2 Photonen ab. Da das System mit optischen Resonatoren ausgestattet ist, wird außerdem eine größere Anzahl von Photonen erzeugt, da die gepumpte Energie im aktiven Medium reflektiert wird.
Auf diese Weise erzeugen mehrere Elektronen bei Anregung Photonen, wodurch ein kohärenter Laserstrahl von 1,064 µm erzeugt wird.
Anwendungen von Nd:YAG-Lasern
Diese werden in militärischen Anwendungen eingesetzt, um das gewünschte Ziel zu finden. Diese Art von Laser findet auch in der Medizin für chirurgische Zwecke Anwendung. Sie werden auch beim Schweißen und Schneiden von Stahl und in Kommunikationssystemen eingesetzt.