Definiție: Laserul Nd:YAG este forma scurtă folosită pentru Neodymium-doped Yttrium Aluminium Garnet. Este un sistem în stare solidă și cu 4 nivele, deoarece este format din 4 nivele energetice.
Ionul Nd este un metal de pământuri rare și este dopat cu un cristal gazdă în stare solidă, cum ar fi granatul de ytriu și aluminiu (YAG – Y3Al5O12), pentru a forma laserul Nd:YAG. Datorită dopajului, ionii de ytriu sunt înlocuiți cu ioni de Nd3+. De asemenea, concentrația de dopaj este de aproximativ 0,725% în greutate.
Principiul său de funcționare este de așa natură încât atunci când se asigură pomparea optică a dispozitivului. Atunci ionii de Nd sunt ridicați la niveluri energetice mai înalte, iar tranziția lor produce un fascicul laser.
Acest laser emite în general lumină cu o lungime de undă de aproape 1,064 μm.
Construcția laserului Nd:YAG
Laserul Nd:YAG este în principiu clasificat în 3 domenii care sunt mediul activ, sursa de pompare și rezonatorul optic.
Figura de mai jos arată drumul ca structură a laserului Yd:YAG:
Mediu activ: Acesta este, de asemenea, cunoscut sub numele de mediu laser și reprezintă porțiunea de mijloc a structurii, adică cristalul Nd:YAG. Practic, atunci când este furnizată o sursă externă de energie, atunci electronii din starea de energie inferioară se deplasează în starea de energie superioară, provocând astfel acțiunea laser.
Sursa externă de energie: Din cauza diferenței dintre nivelurile de energie, electronii au nevoie de o pompare externă pentru a efectua o tranziție de la o stare la alta. Astfel, pentru ca acțiunea laser să aibă loc, este necesară o sursă externă de pompare.
În principiu, ca sursă de pompare optică, se folosește un tub flash cu xenon sau kripton.
Tigla Nd:YAG și tubul flash sunt plasate în interiorul unei cavități eliptice, astfel încât lumina maximă produsă să ajungă la tijă.
Rezonator optic: Cele două capete ale tijei de Nd:YAG sunt acoperite cu argint. Cu toate acestea, un capăt este acoperit complet cu argint pentru a obține o reflexie maximă a luminii.
În timp ce celălalt capăt este acoperit parțial pentru a oferi o cale pentru ca raza de lumină de la o sursă externă să ajungă la mediul activ. Astfel, se formează o cavitate optică.
Funcționarea laserului Nd:YAG
Este un sistem cu 4 nivele, adică; conține 4 nivele de energie. Deci, în această secțiune, vom discuta despre funcționarea laserului Nd:YAG cu ajutorul diagramei nivelurilor de energie.
Figura de mai jos prezintă diagrama nivelurilor de energie cu 4 stări a laserului Nd:YAG:
Aici, E1 este cea mai joasă stare de energie, în timp ce E4 este cel mai înalt nivel de energie. Cu toate acestea, inițial, electronii din E1 este foarte mult mai mare în comparație cu E4.
Așa că, atunci când se furnizează energie externă în mediul activ al laserului. Atunci electronii prezenți în starea de energie E1 capătă energie și se deplasează în starea de energie E4. Cu toate acestea, deoarece E4 este o stare instabilă și prezintă o durată de viață scurtă.
Din acest motiv, electronii care au fost excitați în această stare prin aplicarea pompării externe nu vor rămâne în această stare pentru o durată mult mai lungă și ajung în starea energetică inferioară E3 foarte repede, dar fără să radieze niciun foton.
Starea energetică E3 este starea metastabilă și prezintă o durată de viață mai lungă. Așadar, electronii din această stare particulară vor avea o durată mai mare. Datorită acestui fapt, un număr mai mare de electroni vor fi prezenți în starea metastabilă E3. Astfel, se obține o inversiune de populație.
Dar odată ce durata de viață a electronilor din starea metastabilă se epuizează, atunci acești electroni, prin eliberarea de fotoni, ajung în starea energetică inferioară E2.
E2 prezintă, de asemenea, o durată de viață mai scurtă ca E4. Astfel, electronii prezenți în starea E2 vor ajunge în E1 fără a radia energie sub formă de foton.
Atunci, în acest fel, electronii prin obținerea unui singur foton de energie eliberează energia a 2 fotoni. De asemenea, deoarece sistemul este echipat cu rezonatoare optice, astfel, se va genera un număr mai mare de fotoni deoarece energia pompată se va reflecta în interiorul mediului activ.
În acest fel, mai mulți electroni la stimulare produc fotoni, generând astfel un fascicul laser coerent de 1,064 µm.
Aplicații ale laserului Nd:YAG
Acestea sunt folosite în aplicații militare pentru a găsi ținta dorită. Acest tip de laser își găsește aplicații și în domeniul medical în scop chirurgical. Acestea sunt, de asemenea, utilizate la sudarea și tăierea oțelului și, de asemenea, în sistemul de comunicații.
.