Definizione: Il laser Nd:YAG è la forma abbreviata usata per Neodymium-doped Yttrium Aluminium Garnet. È uno stato solido e un sistema a 4 livelli, poiché consiste di 4 livelli di energia.
Lo ione Nd è un metallo delle terre rare ed è drogato con un cristallo ospite allo stato solido come il granato di ittrio e alluminio (YAG – Y3Al5O12) per formare il laser Nd:YAG. A causa del drogaggio, gli ioni di ittrio vengono sostituiti dagli ioni Nd3+. Inoltre, la concentrazione di drogaggio è intorno allo 0,725% in peso.
Il suo principio di funzionamento è tale che quando il pompaggio ottico viene fornito al dispositivo. Poi gli ioni Nd vengono portati a livelli di energia più alti e la loro transizione produce un raggio laser.
Questo laser emette generalmente luce di lunghezza d’onda di circa 1,064 μm.
Costruzione del laser Nd:YAG
Il laser Nd:YAG è fondamentalmente categorizzato in 3 domini che sono il mezzo attivo, la sorgente di pompaggio e il risonatore ottico.
La figura seguente mostra la strada come la struttura del laser Yd:YAG:
Medio attivo: Questo è anche conosciuto come il mezzo laser ed è la parte centrale della struttura cioè il cristallo Nd:YAG. Fondamentalmente quando la fonte di energia esterna viene fornita, allora gli elettroni dallo stato di energia inferiore si muovono verso lo stato di energia superiore, causando così l’azione laser.
Sorgente di energia esterna: A causa della differenza nei livelli di energia, gli elettroni hanno bisogno di un pompaggio esterno per eseguire una transizione da uno stato all’altro. Quindi, affinché l’azione laser abbia luogo, è necessaria una fonte di pompaggio esterna.
Fondamentalmente, come fonte di pompaggio ottico, viene preso il tubo flash allo xeno o al kripton.
L’asta Nd:YAG e il tubo flash sono posti all’interno di una cavità ellittica in modo che la massima luce prodotta possa raggiungere l’asta.
Risonatore ottico: Le due estremità dell’asta Nd:YAG sono rivestite d’argento. Tuttavia, un’estremità è completamente rivestita d’argento in modo da ottenere la massima riflessione della luce.
Mentre l’altra estremità è parzialmente rivestita in modo da fornire un percorso per il raggio di luce da una fonte esterna per raggiungere il mezzo attivo. Formando così una cavità ottica.
Funzionamento del laser Nd:YAG
È un sistema a 4 livelli, cioè contiene 4 livelli di energia. Quindi, in questa sezione, discuteremo il funzionamento del laser Nd:YAG con l’aiuto del diagramma dei livelli di energia.
La figura qui sotto mostra il diagramma dei livelli di energia a 4 stati del laser Nd:YAG:
Qui, E1 è lo stato di energia più basso mentre E4 è il livello di energia più alto. Tuttavia, inizialmente, gli elettroni in E1 sono molto più alti rispetto a E4.
Quindi, quando viene fornita energia esterna nel mezzo attivo del laser. Allora gli elettroni presenti nello stato energetico E1 guadagnano energia e si spostano nello stato energetico E4. Tuttavia, poiché E4 è uno stato instabile ed esibisce una breve durata di vita.
Quindi, gli elettroni che sono stati eccitati a questo stato dall’applicazione di pompaggio esterno non rimarranno in questo stato per una durata molto più lunga e arriva allo stato energetico inferiore E3 molto velocemente ma senza irradiare alcun fotone.
Lo stato energetico E3 è lo stato metastabile e presenta una durata di vita più lunga. Quindi, gli elettroni in questo particolare stato dureranno più a lungo. A causa di questo più numero di elettroni sarà presente allo stato metastabile E3. Ma una volta che la vita degli elettroni nello stato metastabile si esaurisce, questi elettroni, rilasciando fotoni, passano allo stato di energia inferiore E2.
E2 ha anche una durata di vita più breve come E4. Così, gli elettroni presenti nello stato E2 arriveranno a E1 senza irradiare energia sotto forma di fotone.
Quindi, in questo modo gli elettroni guadagnando un solo fotone di energia rilasciano l’energia di 2 fotoni. Inoltre, poiché il sistema è dotato di risonatori ottici, più fotoni saranno generati poiché l’energia pompata sarà riflessa all’interno del mezzo attivo.
In questo modo, diversi elettroni su stimolazione producono fotoni generando così un raggio laser coerente di 1,064 µm.
Applicazioni del laser Nd:YAG
Questi sono usati in applicazioni militari per trovare l’obiettivo desiderato. Questo tipo di laser trova anche la sua applicazione in campo medico per lo scopo chirurgico. Questi sono anche utilizzati nella saldatura e nel taglio dell’acciaio e nel sistema di comunicazione anche.