Definition: Nd:YAG-laser är den förkortning som används för Neodym-dopad Yttrium Aluminium Granat. Det är ett fast tillstånd och ett fyrnivåsystem eftersom det består av fyra energinivåer.
Nd-jonen är en sällsynt jordartsmetall och den dopas med en värdkristall i fast tillstånd som yttriumaluminiumgranat (YAG – Y3Al5O12) för att bilda Nd:YAG-laser. På grund av dopningen ersätts yttriumjonerna med Nd3+-joner. Dessutom är dopningskoncentrationen cirka 0,725 viktprocent.
Den fungerar på så sätt att när optisk pumpning ges till anordningen. Då höjs Nd-jonerna till högre energinivåer och deras övergång ger upphov till en laserstråle.
Denna laser avger i allmänhet ljus med en våglängd på nästan 1,064 μm.
Byggnad av Nd:YAG-laser
Nd:YAG-laser kategoriseras i princip i 3 domäner som är det aktiva mediet, pumpkällan och den optiska resonatorn.
Figuren nedan visar vägen som uppbyggnaden av Yd:YAG-laser:
Aktivt medium: Detta kallas också lasermedium och är den mellersta delen av strukturen, dvs. Nd:YAG-kristallen. När en extern energikälla tillhandahålls flyttas elektronerna från ett lägre energitillstånd till ett högre energitillstånd, vilket leder till att laserverkan äger rum.
Extern energikälla: På grund av skillnaden i energinivåer behöver elektronerna en extern pumpning för att kunna utföra en övergång från ett tillstånd till ett annat. Så för att laserverkan ska äga rum krävs en extern pumpkälla.
Som optisk pumpkälla används i princip xenon- eller kryptonblixtröret.
Nd:YAG-stången och blixtröret placeras i en elliptisk kavitet så att det maximalt producerade ljuset kan nå stången.
Optisk resonator: En optisk resonator är en källa som är avsedd för att ge en laserverkan: De två ändarna av Nd:YAG-stången är belagda med silver. Den ena änden är dock helt belagd med silver för att uppnå maximal ljusreflektion.
Men den andra änden är delvis belagd för att ge ljusstrålen från en extern källa en väg att nå det aktiva mediet. Därigenom bildas en optisk kavitet.
Den fungerar som en Nd:YAG-laser
Det är ett 4-nivåsystem, dvs. den innehåller 4 energinivåer. Så i det här avsnittet kommer vi att diskutera hur Nd:YAG-lasern fungerar med hjälp av energinivådiagrammet.
Figuren nedan visar energinivådiagrammet med 4 tillstånd för Nd:YAG-laser:
Här är E1 det lägsta energitillståndet medan E4 är det högsta energitillståndet. Initialt är dock elektronerna i E1 mycket högre jämfört med E4.
Så när extern energi tillförs i laserns aktiva medium. Då får de elektroner som befinner sig i energitillståndet E1 energi och förflyttar sig till energitillståndet E4. Men eftersom E4 är ett instabilt tillstånd och uppvisar kort livslängd.
Följaktligen kommer elektroner som exciterades till detta tillstånd genom tillämpning av extern pumpning inte att stanna i detta tillstånd under mycket längre tid och kommer till det lägre energitillståndet E3 mycket snabbt men utan att utstråla någon foton.
Energitillståndet E3 är det metastabila tillståndet och uppvisar längre livslängd. Elektronerna i just detta tillstånd kommer alltså att hålla sig längre. På grund av detta kommer fler elektroner att finnas i det metastabila tillståndet E3. Därigenom uppnås populationsinversion.
Men när livslängden för elektronerna i det metastabila tillståndet är uttömd kommer dessa elektroner genom att släppa ut fotoner till det lägre energitillståndet E2.
E2 uppvisar också en kortare livslängd som E4. Elektroner som befinner sig i tillstånd E2 kommer således att komma till E1 utan att utstråla energi i form av en foton.
Så, på detta sätt frigör elektroner genom att få en enda foton av energi energin från två fotoner. Dessutom, eftersom systemet är utrustat med optiska resonatorer så kommer fler antal fotoner att genereras eftersom den pumpade energin kommer att reflekteras inuti det aktiva mediet.
På detta sätt producerar flera elektroner vid stimulering fotoner och genererar därmed en koherent laserstråle på 1,064 µm.
Användningsområden för Nd:YAG-laser
Dessa används i militära tillämpningar för att hitta det önskade målet. Denna typ av laser finner också sin tillämpning inom det medicinska området för kirurgiska ändamål. De används också vid svetsning och skärning av stål och i kommunikationssystem.