Nd: YAG лазер - Nd:YAG laser

Nd: YAG-лазер с открытой крышкой светится зеленым светом 532 нм с удвоенной частотой
Nd: YAG лазерный стержень

Nd: YAG (иттрий-алюминиевый гранат, легированный неодимом; Nd: Y3Al5О12) это кристалл который используется как лазерная среда за твердотельные лазеры. В присадка, трехкратно ионизированный неодим, Nd (III), как правило, замещает небольшую часть (1%) иттрий ионы в основной кристаллической структуре иттрий-алюминиевый гранат (YAG), так как два иона имеют одинаковый размер.[1] Именно ион неодима обеспечивает лазерную активность в кристалле так же, как красный ион хрома в кристалле. рубиновые лазеры.[1]

Лазерное действие Nd: YAG было впервые продемонстрировано J.E. Geusic. и другие. в Bell Laboratories в 1964 г.[2]

Технологии

Ионы неодима в различных типах ионных кристаллов, а также в стеклах действуют как усиливающая среда для лазера, как правило, излучая свет с длиной волны 1064 нм от определенного атомного перехода в ионе неодима после «накачки» возбуждения от внешнего источника.

Nd:YAG лазеры с оптической накачкой используя вспышка или же лазерные диоды. Это один из наиболее распространенных типов лазеров, которые используются во многих различных приложениях. Nd: YAG-лазеры обычно излучают свет с длина волны из 1064 нм, в инфракрасный.[3] Однако есть также переходы около 946, 1120, 1320 и 1440 нм. Nd: YAG-лазеры работают в обоих пульсирующий и непрерывный режим. Импульсные Nd: YAG-лазеры обычно используются в так называемых Q-переключение режим: оптический переключатель вставлен в лазерный резонатор, ожидая максимального инверсия населения в ионах неодима до его открытия. Затем световая волна может пройти через резонатор, опустошая возбужденную лазерную среду при максимальной инверсии населенности. В этом режиме с модуляцией добротности была достигнута выходная мощность 250 мегаватт и длительность импульса от 10 до 25 наносекунд.[4] Импульсы высокой интенсивности могут быть эффективно частота удвоена для генерации лазерного излучения на длине волны 532 нм или более высоких гармоник на длине волны 355, 266 и 213 нм.

Nd: YAG поглощает в основном в полосах от 730–760 нм до 790–820 нм.[3] На низком текущие плотности криптон Фонари имеют более высокую мощность в этих диапазонах, чем более распространенные ксенон лампы, которые производят больше света на длине волны около 900 нм. Поэтому первые более эффективны для накачки лазеров на Nd: YAG.[5]

Количество неодима присадка в материале варьируется в зависимости от его использования. За непрерывная волна на выходе легирование значительно ниже, чем у импульсных лазеров. Слегка легированные стержни CW можно оптически отличить по тому, что они менее окрашены, почти белые, в то время как стержни с более высокой степенью легирования розово-пурпурные.

Другими распространенными материалами-хозяевами неодима являются: YLF (иттрий-литий фторид, 1047 и 1053 нм), YVO4 (ортованадат иттрия, 1064 нм), и стекло. Выбирается конкретный материал-хозяин, чтобы получить желаемое сочетание оптических, механических и термических свойств. Nd: YAG-лазеры и варианты накачанный либо по вспышки, непрерывный газоразрядные лампы, или ближний инфракрасный лазерные диоды (Лазеры DPSS ). Предварительно стабилизированный лазер (PSL) типы Nd: YAG-лазеров оказались особенно полезными в обеспечении основных лучей для гравитационная волна интерферометры Такие как LIGO, ДЕВА, GEO600 и ТАМА.

Приложения

Лекарство

Щелевая лампа фотография помутнения задней капсулы, видимого через несколько месяцев после имплантации интраокулярной линзы в глаз при ретроиллюминации

Nd: YAG-лазеры используются в офтальмология исправлять помутнение задней капсулы, состояние, которое может возникнуть после катаракта хирургия, а также для периферических иридотомия у пациентов с острая закрытоугольная глаукома, где он заменил хирургическая иридэктомия. Частота удвоена Nd: YAG-лазеры (длина волны 532 нм) используются для панретинальных фотокоагуляция у пациентов с диабетическая ретинопатия. В некоторых случаях эти лазеры также используются для лечения плавающие глаза.[6]

Nd: YAG-лазеры, излучающие свет на длине волны 1064 нм, были наиболее широко используемым лазером для лазерная термотерапия, при котором доброкачественные или злокачественные образования в различных органах удаляются пучком.

В онкология, Nd: YAG-лазеры можно использовать для удаления кожи раки.[7] Они также используются для уменьшения доброкачественных узлов щитовидной железы,[8] и для уничтожения первичных и вторичных злокачественных поражений печени.[9][10]

Лечить доброкачественная гиперплазия предстательной железы (BPH), Nd: YAG-лазеры могут использоваться для лазерная хирургия простаты - форма трансуретральная резекция простаты.

Эти лазеры также широко используются в области косметической медицины для лазерное удаление волос и лечение несовершеннолетних сосудистый дефекты, такие как сосудистые звездочки на лице и ногах. Nd: YAG-лазеры также используются для лечения поражений губ Venous Lake.[11] В последнее время Nd: YAG-лазеры стали использовать для лечения рассекающий целлюлит волосистой части головы, редкое кожное заболевание.[12]

С помощью гистероскопия Nd: YAG-лазер использовался для удаления перегородки матки внутри матки.[13]

В подиатрия, Nd: YAG-лазер используется для лечения онихомикоз, который представляет собой грибковую инфекцию ногтей на ногах.[14] Достоинства лазерного лечения этих инфекций еще не ясны, и проводятся исследования для определения эффективности.[15][16]

Стоматология

Nd: YAG стоматологические лазеры используются для мягких тканей операции в ротовая полость, Такие как гингивэктомия, пародонт хирургическая обработка раны, LANAP, пульпотомия, френэктомия, биопсия, и коагуляция донорских участков трансплантата.

Производство

Nd: YAG-лазеры используются в производстве для гравировки, травления или маркировки различных металлов и пластмасс, а также для процессов улучшения поверхности металлов, таких как лазерная обработка.[17] Они широко используются в производстве резка и сварочная сталь, полупроводники и различные сплавы. Для автомобильной промышленности (резка и сварка стали) уровни мощности обычно составляют 1–5 кВт. При сверлении сверхсплавов (для деталей газовых турбин) обычно используются импульсные Nd: YAG-лазеры (миллисекундные импульсы, без модуляции добротности). Nd: YAG-лазеры также используются для изготовления подповерхностная маркировка в прозрачных материалах, таких как стекло или же акриловое стекло. Лазеры мощностью до 2 кВт используются для селективной лазерной плавки металлов в аддитивном слоистом производстве. В аэрокосмической отрасли их можно использовать для дрель охлаждающие отверстия для повышения эффективности воздушного потока / теплоотвода.[нужна цитата ]

Nd: YAG-лазеры также используются в нетрадиционном процессе быстрого прототипирования. лазерная технология формирования сетки (ЛИНЗА).

Лазерная обработка Обычно используются импульсные лазерные системы с высокой энергией (от 10 до 40 Дж), импульсами от 10 до 30 наносекунд, для генерации гигаватт мощности на поверхности детали путем фокусировки лазерного луча до нескольких миллиметров в диаметре. Лазерная обработка отличается от других производственных процессов тем, что не нагревает и не добавляет материала; это механический процесс холодная обработка металлический компонент для передачи сжимающих остаточных напряжений. Лазерное упрочнение широко используется в газотурбинных двигателях как в аэрокосмической отрасли, так и в энергетике для повышения устойчивости компонентов к повреждениям, а также повышения усталостной долговечности и прочности.[18]

Динамика жидкостей

Nd: YAG-лазеры могут использоваться для методов визуализации потоков в гидродинамике (например, велосиметрия изображения частиц или же лазерно-индуцированная флуоресценция ).[19]

Биофизика

Nd: YAG-лазеры часто используются для создания оптический пинцет для биологических применений. Это связано с тем, что лазеры на Nd: YAG в основном излучают на длине волны 1064 нм. Биологические образцы имеют низкий коэффициент поглощения на этой длине волны, поскольку биологические образцы обычно состоят в основном из воды.[20] Таким образом, использование Nd: YAG-лазера сводит к минимуму повреждение исследуемого биологического образца.

Автомобильная промышленность

Исследователи из Японии Национальные институты естественных наук разрабатывают лазерные зажигалки, которые используют чипы YAG для зажигания топлива в двигателе вместо свеча зажигания.[21][22]Лазеры используют несколько импульсов длительностью 800 пикосекунд для зажигания топлива, обеспечивая более быстрое и равномерное зажигание. Исследователи говорят, что такие воспламенители могут обеспечить лучшую производительность и экономию топлива с меньшим количеством вредных выбросов.

Военный

Стрельба из лазерного дальномера Nd: YAG из военных излишков. Лазер стреляет через коллиматор, фокусируя луч, который пробивает отверстие в резиновом блоке, выпуская плазменный взрыв.

Nd: YAG-лазер является наиболее распространенным лазером, используемым в лазерные указатели и лазерные дальномеры.

Китайский ЗМ-87 Ослепляющее лазерное оружие использует лазер этого типа, хотя было произведено только 22 из-за их запрет посредством Конвенция о конкретных видах обычного оружия. Сообщается, что Северная Корея применила одно из этих вооружений против американских вертолетов в 2003 году.[23][24]

Полостная кольцевая спектроскопия вниз (CRDS)

Nd: YAG может использоваться в применении резонаторная кольцевая спектроскопия, который используется для измерения концентрации некоторого светопоглощающего вещества.

Спектроскопия лазерного пробоя (LIBS)

Основная статья: Спектроскопия лазерного пробоя

Ряд лазеров Nd: YAG используется для анализа элементов в периодической таблице. Хотя это приложение само по себе является довольно новым по сравнению с обычными методами, такими как XRF или ICP, оказалось, что оно требует меньше времени и является более дешевым вариантом для проверки концентраций элементов. Мощный Nd: YAG-лазер фокусируется на поверхности образца для получения плазма. Свет из плазмы улавливается спектрометрами, и можно идентифицировать характерные спектры каждого элемента, что позволяет измерять концентрации элементов в образце.

Лазерная накачка

Nd: YAG-лазеры, в основном через их вторую и третью гармоники, широко используются для возбуждения лазеры на красителях либо в жидкости[25] или же твердое состояние.[26] Они также используются в качестве источников накачки для твердотельных лазеров с колебательным уширением, таких как Cr4+: YAG или через вторую гармонику для накачки Ti: сапфировые лазеры.

Дополнительные частоты

Для многих приложений инфракрасный свет удвоенная частота или -тройное использование нелинейно-оптические материалы Такие как триборат лития для получения видимого (532 нм, зеленый) или ультрафиолетовый свет. Борат лития цезия генерирует 4-ю и 5-ю гармоники основной длины волны Nd: YAG 1064 нм. Зеленый лазерный указатель частота удвоена Nd: YVO4 твердотельный лазер с диодной накачкой (Лазер DPSS ). Nd: YAG также можно заставить генерировать генерацию на неосновной длине волны. Линия 946 нм обычно используется в лазерах DPSS с «синей лазерной указкой», где она удваивается до 473 нм.

Физико-химические свойства Nd: YAG

Свойства кристалла YAG

  • Формула: Y3Al5О12
  • Молекулярный вес: 596,7
  • Кристаллическая структура: кубическая
  • Твердость: 8–8,5 (по шкале Мооса)[27]
  • Температура плавления: 1970 ° C (3540 ° F)
  • Плотность: 4,55 г / см3

Показатель преломления Nd: YAG

Длина волны (мкм)Индекс п (25 ° С)
0.81.8245
0.91.8222
1.01.8197
1.21.8152
1.41.8121
1.51.8121

Свойства Nd: YAG @ 25 ° C (с легированием 1% Nd)

  • Формула: Y2.97Nd0.03Al5О12
  • Вес Nd: 0,725%
  • Атомы Nd в единице объема: 1,38 × 1020 /см3
  • Состояние заряда Nd: 3+
  • Длина волны излучения: 1064 нм
  • Переход: 4F3/2 → 4я11/2
  • Продолжительность флуоресценции: 230 мкс[27]
  • Теплопроводность: 0,14 Вт · см−1· K−1
  • Удельная теплоемкость: 0,59 Дж · г−1· K−1
  • Тепловое расширение: 6,9 × 10−6 K−1
  • dп/ дТ: 7.3×10−6 K−1
  • Модуль Юнга: 3,17 × 104 К · г / мм−2
  • Коэффициент Пуассона: 0,25
  • Стойкость к тепловому удару: 790 Вт · м−1

Ссылки и примечания

  1. ^ а б Кехнер §2.3, стр. 48–53.
  2. ^ Geusic, J. E .; Marcos, H.M .; Ван Уитер, Л. Г. (1964). «Лазерные колебания в иттриевых алюминиевых, иттриевых и гадолиниевых гранатах, легированных nd-амином». Письма по прикладной физике. 4 (10): 182. Bibcode:1964АпФЛ ... 4..182Г. Дои:10.1063/1.1753928.
  3. ^ а б Ярив, Амнон (1989). Квантовая электроника (3-е изд.). Вайли. С. 208–11. ISBN  978-0-471-60997-1.
  4. ^ Вальтер Кехнер (1965) Твердотельная лазерная техника, Springer-Verlag, стр. 507
  5. ^ Кехнер §6.1.1, стр. 251–64.
  6. ^ Кокавец Дж., Ву З., Шервин Дж. К., Анг AJS, Анг GS (2017). «Nd: YAG-лазерный витреолиз по сравнению с витрэктомией pars plana для плавающих помутнений стекловидного тела». Кокрановская база данных Syst Rev. 6: CD011676. Дои:10.1002 / 14651858.CD011676.pub2. ЧВК  6481890. PMID  28570745.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  7. ^ Москалик, К; Козлов; Э Демин; Э Бойко (2009). «Эффективность лечения рака кожи лица с помощью высокоэнергетических импульсных неодимовых и Nd: YAG-лазеров». Фотомедицина, лазерная хирургия. 27 (2): 345–49. Дои:10.1089 / фото.2008.2327. PMID  19382838.
  8. ^ Валкави Р., Риганти Ф, Бертани А., Формизано Д., Пачелла С.М. (ноябрь 2010 г.). «Чрескожная лазерная абляция холодных доброкачественных узлов щитовидной железы: последующее 3-летнее исследование у 122 пациентов». Щитовидная железа. 20 (11): 1253–61. Дои:10.1089 / ты.2010.0189. PMID  20929405.
  9. ^ Pacella CM; Francica G; Di Lascio FM; Arienti V; Antico E; Каспани Б; Magnolfi F; Megna AS; Pretolani S; Regine R; Sponza M; Штази Р. (июнь 2009 г.). «Отдаленные результаты лечения пациентов с циррозом и ранней гепатоцеллюлярной карциномой с помощью чрескожной лазерной абляции под ультразвуковым контролем: ретроспективный анализ». Журнал клинической онкологии. 27 (16): 2615–21. Дои:10.1200 / JCO.2008.19.0082. PMID  19332729.
  10. ^ Помпили М; Pacella CM; Francica G; Angelico M; Тизон G; Craboledda P; Николарди Э; Rapaccini GL; Gasbarrini G. (Июнь 2010 г.). «Чрескожная лазерная абляция гепатоцеллюлярной карциномы у пациентов с циррозом печени, ожидающих трансплантации печени». Европейский журнал радиологии. 74 (3): e6 – e11. Дои:10.1016 / j.ejrad.2009.03.012. PMID  19345541.
  11. ^ Азеведо, Л. Н; Галлетта, В. С; Де Паула Эдуардо, C; Мильяри, Д. А (2010). «Венозное озеро губ, обработанное фотокоагуляцией с помощью диодного лазера высокой интенсивности». Фотомедицина и лазерная хирургия. 28 (2): 263–265. Дои:10.1089 / фото.2009.2564. ЧВК  2957073. PMID  19811083.
  12. ^ Краснер Б.Д .; Hamzavi FH; Murakawa GJ; Hamzavi IH (август 2006 г.). «Рассечение целлюлита с помощью длинноимпульсного Nd: YAG-лазера». Дерматологическая хирургия. 32 (8): 1039–44. Дои:10.1111 / j.1524-4725.2006.32227.x. PMID  16918566.
  13. ^ Ян Дж, Инь Т.Л., Сюй В.М., Ся Л.Б., Ли А.Б., Ху Дж. (2006). «Репродуктивный результат перегородки матки после гистероскопического лечения неодимовым: YAG-лазером». Фотомедицина, лазерная хирургия. 24 (5): 625. Дои:10.1089 / фото.2006.24.625. PMID  17069494.
  14. ^ Ледон, Дженнифер А .; Савас, Джессика; Франка, Катляйн; Чакон, Анна; Нури, Кейван (2012). «Лазерная и световая терапия онихомикоза: систематический обзор». Лазеры в медицине. 29 (2): 823–29. Дои:10.1007 / s10103-012-1232-у. ISSN  0268-8921. PMID  23179307.
  15. ^ Мозена, Иоанн; Хэверсток, Брент (май 2010 г.). «Лазерное лечение онихомикоза: может ли оно быть эффективным?». Подиатрия сегодня. 23 (5): 54–59.
  16. ^ Mozena, John D .; Митник, Джошуа П. (октябрь 2009 г.). «Новые концепции лечения онихомикоза». Подиатрия сегодня. 22 (10): 46–51.
  17. ^ Исследования лазерной упрочнения пружинной стали для автомобильной промышленности | Ранганатан Кандасами - Academia.edu
  18. ^ LSP Technologies
  19. ^ Palafox, Gilbert N .; Wicker, Райан Б .; Элкинс, Кристофер Дж. (2003). «Быстрые эксперименты с физиологическим потоком in vitro с использованием быстрого прототипирования и велосиметрии изображений частиц» (PDF). 2003 Летняя конференция по биоинженерии: 419. Получено 2007-10-10.
  20. ^ Д. Дж. Стивенсон; Т. К. Лейк; Б. Агат; В. Гарсес-Чавес; К. Дхолакия; Ф. Ганн-Мур (16 октября 2006 г.). «Оптически управляемый рост нейронов в ближнем инфракрасном диапазоне». Оптика Экспресс. 14 (21): 9786–93. Bibcode:2006OExpr..14.9786S. Дои:10.1364 / OE.14.009786. ЧВК  2869025. PMID  19529370.
  21. ^ Коксворт, Бен (21 апреля 2011 г.). «Лазерные воспламенители могут положить конец скромной свече зажигания». Гизмаг. Получено 30 марта, 2012.
  22. ^ Павел, Николай; и другие. (2011). «Композит, цельнокерамика, высокая пиковая мощность Nd: YAG / Cr.4+: YAG монолитный микролазер с многолучевым выходом для зажигания двигателя ». Оптика Экспресс. 19 (10): 9378–84. Bibcode:2011OExpr..19.9378P. Дои:10.1364 / OE.19.009378. PMID  21643194.
  23. ^ Фишер, Франклин (14 мая 2003 г.). «США заявляют, что вертолеты Apache стали мишенями для лазерного оружия возле корейской демилитаризованной зоны». Звезды и полоски. Получено 2016-12-20.
  24. ^ Листер, Тим. «Военное устаревание Северной Кореи, но значительное». CNN. Архивировано из оригинал в 2010-11-26. Получено 24 декабря 2010.
  25. ^ Ф. П. Шефер (Ред.), Лазеры на красителях (Springer-Verlag, Берлин, 1990).
  26. ^ Ф. Ж. Дуарте, Настраиваемая лазерная оптика (Elsevier-Academic, Нью-Йорк, 2003 г.).
  27. ^ а б Пашотта, Рюдигер. "ЯГ лазеры". Энциклопедия лазерной физики и техники. RP Photonics. Получено 2018-01-16.
  • Сигман, Энтони Э. (1986). Лазеры. Книги университетских наук. ISBN  978-0-935702-11-8.
  • Кехнер, Вальтер (1988). Твердотельная лазерная техника (2-е изд.). Springer-Verlag. ISBN  978-3-540-18747-9.