Meghatározás: Az Nd:YAG lézer a neodímiummal adalékolt ittrium-alumínium-gránát rövidítése. Ez egy szilárd halmazállapotú és 4 szintes rendszer, mivel 4 energiaszintből áll.
A Nd ion ritkaföldfém, és Nd:YAG lézer kialakításához szilárd halmazállapotú gazdakristályba, például ittrium-alumínium-gránátba (YAG – Y3Al5O12) adalékolják. Az adalékolás következtében az ittriumionok helyébe Nd3+ ionok lépnek. Az adalékkoncentráció is 0,725 tömegszázalék körüli.
A működési elve olyan, hogy amikor optikai pumpálással látják el az eszközt. Ekkor az Nd-ionok magasabb energiaszintre emelkednek, és átmenetük lézersugarat hoz létre.
Ez a lézer általában közel 1,064 μm hullámhosszúságú fényt bocsát ki.
A Nd:YAG lézer felépítése
A Nd:YAG lézer alapvetően 3 tartományba sorolható, amelyek az aktív közeg, a szivattyúforrás és az optikai rezonátor.
Az alábbi ábra az Yd:YAG lézer útszerű felépítését mutatja:
Aktív közeg: Ezt lézermédiumnak is nevezik, és a szerkezet középső része, azaz az Nd:YAG-kristály. Alapvetően amikor külső energiaforrást biztosítunk, akkor az elektronok az alacsonyabb energiaállapotból a magasabb energiaállapotba mozognak, ezáltal lézerhatás lép fel.
Külső energiaforrás: Az energiaszintek közötti különbség miatt az elektronoknak valamilyen külső pumpálásra van szükségük ahhoz, hogy az egyik állapotból a másikba való átmenetet végrehajtsák. Tehát ahhoz, hogy a lézerhatás végbemenjen, külső pumpáló forrásra van szükség.
Az optikai pumpálás forrásaként alapvetően xenon vagy kripton villanócsövet vesznek igénybe.
Az Nd:YAG rúd és a villanócső egy elliptikus üregben van elhelyezve, hogy a maximálisan előállított fény elérje a rudat.
Optikai rezonátor: Az Nd:YAG rúd két vége ezüsttel van bevonva. Az egyik vége azonban teljesen ezüsttel van bevonva, hogy maximális fényvisszaverődést érjen el.
A másik vége pedig részben van bevonva, hogy a külső forrásból érkező fénysugárnak utat biztosítson az aktív közegbe. Ezáltal egy optikai üreget képez.
A Nd:YAG lézer működése
Ez egy 4 szintes rendszer, azaz; 4 energiaszintet tartalmaz. Ezért ebben a részben az Nd:YAG lézer működését az energiaszint diagram segítségével fogjuk tárgyalni.
Az alábbi ábrán az Nd:YAG lézer 4 állapotú energiaszint diagramja látható:
Itt az E1 a legalacsonyabb, míg az E4 a legmagasabb energiaszint. Kezdetben azonban az E1-ben lévő elektronok E4-hez képest nagyon sokkal magasabbak.
Így, amikor külső energiát juttatunk a lézer aktív közegébe. Ekkor az E1 energiaállapotban lévő elektronok energiát nyernek, és az E4 energiaállapotba kerülnek. Mivel azonban az E4 egy instabil állapot, és rövid élettartamot mutat.
Ezért az elektronok, amelyeket külső pumpálás alkalmazásával ebbe az állapotba gerjesztettek, nem maradnak ebben az állapotban sokkal hosszabb ideig, és nagyon gyorsan, de foton kisugárzása nélkül az alacsonyabb, E3 energiaállapotba kerül.
Az E3 energiaállapot a metastabil állapot, és hosszabb élettartamot mutat. Tehát az elektronok ebben az adott állapotban hosszabb ideig maradnak fenn. Ennek köszönhetően több elektron lesz jelen az E3 metastabil állapotban. Ezáltal populációs inverzió érhető el.
Amikor azonban a metastabil állapotban lévő elektronok élettartama kimerül, akkor ezek az elektronok fotonok kibocsátásával az alacsonyabb energiaállapotú E2 állapotba kerülnek.
E2 szintén rövidebb élettartamú, mint az E4. Így az E2 állapotban lévő elektronok az E1 állapotba jutnak anélkül, hogy foton formájában energiát sugároznának ki.
Így tehát az elektronok egyetlen foton energiát nyerve 2 foton energiáját szabadítják fel. Továbbá, mivel a rendszer optikai rezonátorokkal van felszerelve, így több foton keletkezik, mivel a pumpált energia visszaverődik az aktív közegen belül.
Ezzel a módszerrel több elektron stimuláció hatására fotonokat hoz létre, ezáltal 1,064 µm-es koherens lézersugarat generálva.
Az Nd:YAG lézer alkalmazásai
A katonai alkalmazásokban a kívánt célpont megtalálására használják. Ez a lézertípus az orvostudományban is megtalálja az alkalmazását sebészeti célokra. Ezeket az acél hegesztésére és vágására, valamint a kommunikációs rendszerben is használják.