Määritelmä: Nd:YAG-laser on lyhenne, jota käytetään sanoista Neodymium-doped Yttrium Aluminium Garnet. Se on kiinteän tilan ja 4-tasoinen järjestelmä, koska se koostuu neljästä energiatasosta.
Nd-ioni on harvinainen maametalli ja se on seostettu kiinteän tilan isäntäkiteellä, kuten yttrium-alumiinigranaatilla (YAG – Y3Al5O12) Nd:YAG-laserin muodostamiseksi. Dopingin ansiosta yttriumionit korvataan Nd3+-ioneilla. Myös dopingpitoisuus on noin 0,725 painoprosenttia.
Laitteen toimintaperiaate on sellainen, että kun laitteeseen syötetään optinen pumppaus. Silloin Nd-ionit nostetaan korkeammille energiatasoille ja niiden siirtyminen tuottaa lasersäteen.
Tämä laser lähettää yleensä valoa, jonka aallonpituus on lähes 1,064 μm.
Nd:YAG-laserin rakenne
Nd:YAG-laseri jaetaan periaatteessa kolmeen osa-alueeseen, jotka ovat aktiivinen väliaine, pumppauslähde ja optinen resonaattori.
Alla olevassa kuvassa on esitetty Yd:YAG-laserin tiekuvamainen rakenne:
Aktiivinen aine: Tämä tunnetaan myös nimellä lasermedia ja se on rakenteen keskiosa eli Nd:YAG-kide. Periaatteessa kun ulkoinen energialähde annetaan, niin elektronit siirtyvät alemmasta energiatilasta korkeampaan energiatilaan aiheuttaen siten laseritoiminnan.
Ulkoinen energialähde: Energiatasojen eron vuoksi elektronit tarvitsevat jonkinlaista ulkoista pumppausta, jotta ne voivat siirtyä tilasta toiseen. Jotta laseritoiminta tapahtuisi, tarvitaan siis ulkoinen pumppauslähde.
Periaatteessa optisen pumppauksen lähteeksi otetaan ksenon- tai krypton-salamaputki.
Nd:YAG-sauva ja salamaputki sijoitetaan ellipsinmuotoisen ontelon sisälle siten, että suurin mahdollinen tuotettu valo pääsee sauvaan.
Optinen resonaattori: Nd:YAG-sauvan molemmat päät on päällystetty hopealla. Toinen pää on kuitenkin päällystetty kokonaan hopealla, jotta saavutetaan maksimaalinen valonheijastus.
Ja toinen pää on päällystetty osittain, jotta ulkoisesta lähteestä tuleva valonsäde pääsee aktiiviseen väliaineeseen. Niinpä tässä jaksossa käsittelemme Nd:YAG-laserin toimintaa energiatasokaavion avulla.
Alla olevassa kuvassa on esitetty Nd:YAG-laserin 4-tilaisen energiatasokaavio:
Tässä E1 on alin energiatila, kun taas E4 on korkein energiataso. Aluksi elektronit ovat kuitenkin E1:ssä hyvin paljon korkeammalla kuin E4:ssä.
Siten, kun laserin aktiiviseen väliaineeseen syötetään ulkoista energiaa. Silloin energiatilassa E1 olevat elektronit saavat energiaa ja siirtyvät energiatilaan E4. Koska E4 on kuitenkin epästabiili tila ja sillä on lyhyt elinikä.
Sentähden elektronit, jotka virittyivät tähän tilaan ulkoisen pumppauksen avulla, eivät pysy tässä tilassa kovinkaan paljon pidempään, vaan ne siirtyvät alempaan energiatilaan E3 hyvin nopeasti, mutta ilman, että ne säteilevät fotonia.
Energiatila E3 on metastabiili tila ja sillä on pidempi elinikä. Tässä nimenomaisessa tilassa olevat elektronit kestävät siis pidempään. Tästä johtuen metastabiilissa tilassa E3 on enemmän elektroneja. Näin saavutetaan populaatioinversio.
Mutta kun metastabiilissa tilassa olevien elektronien elinikä loppuu, nämä elektronit siirtyvät fotoneja vapauttamalla alempaan energiatilaan E2.
E2:lla on myös lyhyempi elinikä kuin E4:llä. Näin ollen E2-tilassa olevat elektronit tulevat E1-tilaan ilman, että ne säteilevät energiaa fotonin muodossa.
Siten elektronit saaden yhden fotonin energiaa vapauttavat kahden fotonin energiaa. Lisäksi, koska järjestelmä on varustettu optisilla resonaattoreilla, syntyy enemmän fotoneja, koska pumpattu energia heijastuu aktiivisen väliaineen sisälle.
Tällä tavoin useat elektronit tuottavat stimuloidessaan fotoneja, jolloin syntyy koherentti lasersäde, jonka pituus on 1,064 µm.
Nd:YAG-laserin sovellukset
Näitä käytetään sotilaallisissa sovelluksissa halutun kohteen löytämiseen. Tämäntyyppisiä lasereita käytetään myös lääketieteen alalla kirurgisiin tarkoituksiin. Näitä käytetään myös teräksen hitsaamiseen ja leikkaamiseen sekä viestintäjärjestelmissä.