Laser thể rắn Nd: YAG laser và các ứng dụng

Nd: YAG ( garnet nhôm yttri pha tạp neodymium ; Nd: Y 3 Al 5 O 12 ) là một tinh thể được sử dụng làm môi trường phát laser cho laser trạng thái rắn . Các dopant , triply ion hóa neodymium , Nd (III), thường thay thế một phần nhỏ (1%) của yttrium ion trong cơ cấu chủ tinh của garnet yttri nhôm (YAG), kể từ khi hai ion có kích thước tương tự. [1] Đó là ion neodymium cung cấp hoạt động phát quang trong tinh thể, giống như ion crom đỏ trong laser ruby .[1]

Hoạt động laser của Nd: YAG lần đầu tiên được chứng minh bởi JE Geusic et al. tại Phòng thí nghiệm Bell năm 1964. [2]

Nội dung
1 Công nghệ
2 ứng dụng
2.1 Y học
2.2 Nha khoa
2.3 Sản xuất
2.4 Động lực học chất lỏng
2.5 Sinh lý học
2.6 Ô tô
2.7 Quân đội
2.8 Quang phổ vòng xuống khoang (CRDS)
2.9 Phổ phân tích do tia laser gây ra (LIBS)
2.10 Bơm laser
3 tần số bổ sung
4 Tính chất lý hóa của Nd: YAG
4.1 Tính chất của tinh thể YAG
4.2 Chỉ số khúc xạ của Nd: YAG
4.3 Thuộc tính của Nd: YAG @ 25 ° C (với pha tạp 1% Nd)
5 Tài liệu tham khảo và ghi chú
Công nghệ

Các ion neodymium trong các loại tinh thể ion khác nhau, và cả trong kính, hoạt động như một môi trường khuếch đại laser, thường phát ra ánh sáng 1064nm từ một chuyển đổi nguyên tử cụ thể trong ion neodymium, sau khi được “bơm” vào nguồn kích thích từ nguồn bên ngoài

Thanh lõi YAG
Laser Nd: YAG được bơm quang bằng cách sử dụng điốt flashTube hoặc laser . Đây là một trong những loại laser phổ biến nhất và được sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau. Nd: YAG laser thường phát ra ánh sáng với bước sóng của 1064 nm , trong hồng ngoại . [3] Tuy nhiên, cũng có những chuyển tiếp gần 946, 1120, 1320 và 1440nm. Laser Nd: YAG hoạt động ở cả chế độ xung và liên tục. Laser xung Nd: YAG thường được vận hành ở chế độ được gọi là Q-switching : Một công tắc quang được đưa vào trong khoang laser để chờ đảo ngược dân số tối đatrong các ion neodymium trước khi nó mở ra. Sau đó, sóng ánh sáng có thể chạy qua khoang, làm suy giảm môi trường laser bị kích thích ở mức đảo ngược dân số tối đa. Trong chế độ Q-switching này, công suất đầu ra 250 megawatt và thời lượng xung từ 10 đến 25 nano giây đã đạt được. [4] Các xung cường độ cao có thể được tăng gấp đôi tần số một cách hiệu quả để tạo ra ánh sáng laser ở bước sóng 532nm, hoặc sóng hài cao hơn ở 355, 266 và 213 nm.

Nd: YAG hấp thụ chủ yếu ở các dải trong khoảng từ 730 trừ760nm và 790 Than820nm. [3] Ở mật độ dòng điện thấp, đèn flash krypton có công suất cao hơn trong các dải đó so với đèn xenon phổ biến hơn , tạo ra nhiều ánh sáng hơn ở khoảng 900nm. Do đó, trước đây là hiệu quả hơn để bơm laser Nd: YAG. [5]

Số lượng chất dodant neodymium trong vật liệu thay đổi tùy theo việc sử dụng nó. Đối với đầu ra sóng liên tục , pha tạp thấp hơn đáng kể so với laser xung. Các thanh CW pha tạp nhẹ có thể được phân biệt về mặt quang học bằng cách ít màu hơn, gần như trắng, trong khi các thanh pha tạp cao hơn có màu hồng tím.

Các vật liệu chủ phổ biến khác cho neodymium là: YLF ( yttri lithium fluoride , 1047 và 1053 nm), YVO 4 ( yttri orthovanadate , 1064nm) và thủy tinh . Một vật liệu chủ cụ thể được chọn để có được sự kết hợp mong muốn của các tính chất quang, cơ học và nhiệt. Các laser và biến thể Nd: YAG được bơm bằng đèn flash , đèn phóng khí liên tục hoặc điốt laser gần hồng ngoại ( laser DPSS ). Các loại laser Nd: YAG được điều chỉnh bằng laser (PSL) đã được chứng minh là đặc biệt hữu ích trong việc cung cấp các chùm tia chính cho sóng hấp dẫn giao thoa kế như LIGO , VIRGO , GEO600 và TAMA .

Ứng dụng
Y học

Hình ảnh đèn khe của hình ảnh viên nang phía sau có thể nhìn thấy một vài tháng sau khi cấy thấu kính nội nhãn vào mắt, nhìn thấy trên retroillumination
Nd: YAG laser được sử dụng trong nhãn khoa để sửa hình mờ dạng nang sau , một điều kiện có thể xảy ra sau khi đục thủy tinh thể phẫu thuật, và cho ngoại vi iridotomy ở bệnh nhân cấp tính bệnh tăng nhãn áp góc đóng , nơi mà nó đã thay thế iridectomy phẫu thuật . Các laser Nd: YAG nhân đôi tần số (bước sóng 532nm) được sử dụng để quang hóa ở võng mạc ở bệnh nhân mắc bệnh võng mạc tiểu đường . Trong một số trường hợp, những tia laser này cũng được sử dụng để điều trị mắt nổi . [6]

Laser Nd: YAG phát ra ánh sáng ở bước sóng 1064nm là loại laser được sử dụng rộng rãi nhất cho liệu pháp nhiệt gây ra bằng laser , trong đó các tổn thương lành tính hoặc ác tính ở các cơ quan khác nhau bị cắt bỏ bởi chùm tia.

Trong ung thư , laser Nd: YAG có thể được sử dụng để loại bỏ ung thư da . [7] Chúng cũng được sử dụng để làm giảm các nốt tuyến giáp lành tính, [8] và để tiêu diệt các tổn thương gan ác tính nguyên phát và thứ phát. [9] [10]

Để điều trị tăng sản tuyến tiền liệt lành tính (BPH), laser Nd: YAG có thể được sử dụng để phẫu thuật tuyến tiền liệt bằng laser hình thức cắt bỏ tuyến tiền liệt của tuyến tiền liệt .

Những laser này cũng được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực y học thẩm mỹ để tẩy lông bằng laser và điều trị các khuyết tật mạch máu nhỏ như tĩnh mạch mạng nhện trên mặt và chân. Laser Nd: YAG cũng được sử dụng để điều trị các tổn thương môi Venous Lake. [11] Gần đây được sử dụng để phân tích viêm mô tế bào da đầu , một bệnh da hiếm gặp. [12]

Sử dụng nội soi bàng quang , laser Nd: YAG đã được sử dụng để loại bỏ vách ngăn tử cung bên trong tử cung. [13]

Trong podiatry , laser Nd: YAG đang được sử dụng để điều trị bệnh nấm móng , đó là nhiễm nấm ở móng chân. [14] Công đức của việc điều trị bằng laser đối với các bệnh nhiễm trùng này vẫn chưa rõ ràng và nghiên cứu đang được thực hiện để thiết lập hiệu quả. [15] [16]

Nha khoa
Nd: YAG laser nha khoa được sử dụng để mô mềm phẫu thuật trong khoang miệng , chẳng hạn như gingivectomy , chu mở ổ sulcular , LANAP , pulpotomy , frenectomy , sinh thiết , và đông máu của các trang web của nhà tài trợ ghép.

Sản xuất
Laser Nd: YAG được sử dụng trong sản xuất để khắc, khắc hoặc đánh dấu nhiều loại kim loại và nhựa, hoặc cho các quá trình tăng cường bề mặt kim loại như chiếu laser . [17] Chúng được sử dụng rộng rãi trong sản xuất để cắt và hàn thép, chất bán dẫn và các hợp kim khác nhau. Đối với các ứng dụng ô tô (cắt và hàn thép), các mức công suất thường là 1 Hay5 kW. Khoan siêu hợp kim (đối với các bộ phận tuabin khí) thường sử dụng laser Nd: YAG xung (xung milli giây, không phải Q-switching). Laser Nd: YAG cũng được sử dụng để tạo các dấu hiệu dưới bề mặt trong các vật liệu trong suốt như thủy tinh hoặc thủy tinh acrylic. Laser có công suất lên đến 2 kW được sử dụng để nấu chảy kim loại bằng laser trong sản xuất phụ gia. Trong các ứng dụng hàng không vũ trụ, chúng có thể được sử dụng để khoan các lỗ làm mát để tăng cường hiệu quả lưu lượng khí / thoát khí.

Laser Nd: YAG cũng được sử dụng trong quá trình tạo mẫu nhanh không thông thường được thiết kế định hình bằng laser (LENS).

Laser peening thường sử dụng năng lượng cao (10 đến 40 Joule), xung 10 đến 30 nano giây, các hệ thống laser lóe lên để tạo ra năng lượng gigawatt trên bề mặt của một bộ phận bằng cách tập trung chùm tia laser xuống đường kính vài mm. Laser peening không giống như các quy trình sản xuất khác ở chỗ nó không làm nóng hoặc thêm vật liệu; nó là một quá trình cơ học làm lạnh thành phần kim loại để truyền các ứng suất dư nén. Laser peening được sử dụng rộng rãi trong các động cơ tua-bin khí đốt trong cả không gian vũ trụ và phát điện để cải thiện khả năng chịu thiệt hại thành phần và tăng tuổi thọ mỏi và tăng cường độ. [18]

Động lực học chất lỏng
Laser Nd: YAG có thể được sử dụng cho các kỹ thuật hình ảnh dòng chảy trong động lực học chất lỏng (ví dụ như phép đo tốc độ hình ảnh hạt hoặc huỳnh quang cảm ứng bằng laser ). [19]

Sinh lý học
Laser Nd: YAG thường được sử dụng để chế tạo nhíp quang học cho các ứng dụng sinh học. Điều này là do laser Nd: YAG chủ yếu phát ra ở bước sóng 1064nm. Các mẫu sinh học có hệ số hấp thụ thấp ở bước sóng này, vì các mẫu sinh học thường chủ yếu được tạo thành từ nước. [20] Như vậy, sử dụng laser Nd: YAG sẽ giảm thiểu thiệt hại cho mẫu sinh học đang được nghiên cứu.

Ô tô
Các nhà nghiên cứu từ Viện Khoa học Tự nhiên Quốc gia Nhật Bản đang phát triển các thiết bị đánh lửa laser sử dụng chip YAG để đốt cháy nhiên liệu trong động cơ, thay cho bugi . [21] [22] Các laser sử dụng một số xung dài 800 picosecond để đốt cháy nhiên liệu, tạo ra sự đánh lửa nhanh hơn và đồng đều hơn. Các nhà nghiên cứu nói rằng những thiết bị đánh lửa như vậy có thể mang lại hiệu suất tốt hơn và tiết kiệm nhiên liệu hơn, với lượng khí thải độc hại ít hơn.

Quân sự

Thặng dư quân sự Nd: YAG laser rangefinder bắn. Tia laser bắn xuyên qua ống chuẩn trực, tập trung chùm tia, làm nổ một lỗ xuyên qua khối cao su, giải phóng một chùm plasma.
Laser Nd: YAG là loại laser phổ biến nhất được sử dụng trong các nhà thiết kế laser và máy đo khoảng cách laser .

Người Trung Quốc ZM-87 làm mù vũ khí laser sử dụng một laser thuộc loại này, mặc dù chỉ có 22 đã được sản xuất do họ cấm bởi những ước về các loại vũ khí thông thường . Triều Tiên được cho là đã sử dụng một trong những vũ khí này để chống lại trực thăng Mỹ năm 2003. [23] [24]

Quang phổ vòng xuống (CRDS)
Nd: YAG có thể được sử dụng trong ứng dụng quang phổ vòng xuống khoang , được sử dụng để đo nồng độ của một số chất hấp thụ ánh sáng.

Quang phổ phân tích do tia laser gây ra (LIBS)

Một loạt các laser Nd: YAG được sử dụng để phân tích các yếu tố trong bảng tuần hoàn. Mặc dù bản thân ứng dụng này khá mới đối với các phương pháp thông thường như XRF hoặc ICP, nhưng nó đã được chứng minh là ít tốn thời gian hơn và là một lựa chọn rẻ hơn để kiểm tra nồng độ phần tử. Một laser Nd: YAG công suất cao được tập trung vào bề mặt mẫu để tạo ra plasma . Ánh sáng từ plasma được thu bằng máy quang phổ và quang phổ đặc trưng của từng nguyên tố có thể được xác định, cho phép đo nồng độ các nguyên tố trong mẫu.

Bơm laser
Laser Nd: YAG, chủ yếu thông qua sóng hài thứ hai và thứ ba của chúng, được sử dụng rộng rãi để kích thích laser nhuộm ở dạng lỏng [25] hoặc ở trạng thái rắn . [26] Chúng cũng được sử dụng làm nguồn bơm cho các laser trạng thái rắn mở rộng rung động như Cr 4+ : YAG hoặc thông qua sóng hài thứ hai để bơm Ti: sapphire laser .

Tần số bổ sung
Đối với nhiều ứng dụng, ánh sáng hồng ngoại được nhân đôi tần số hoặc tăng gấp đôi bằng cách sử dụng vật liệu quang phi tuyến như bộ lạc lithium để thu được ánh sáng nhìn thấy ( 532nm , màu xanh lá cây) hoặc tia cực tím . Caesium borat tạo ra sóng hài thứ 4 và thứ 5 của bước sóng cơ bản Nd: YAG 1064nm. Một con trỏ laser màu xanh lá cây là tần số nhân đôi laser Nd: YVO 4 được bơm diode ( laser DPSS ). Nd: YAG cũng có thể được thực hiện để theo đuổi bước sóng không chính của nó. Dòng ở 946nm thường được sử dụng trong các laser DPSS “con trỏ laser màu xanh”, trong đó nó được nhân đôi lên 473nm.

Tính chất vật lý và hóa học của Nd: YAG
Thuộc tính của tinh thể YAG