Кіріспе
Nd:YAG (неодим қосылған иттрий алюминий гранаты; Nd:Y3Al5O12) – қатты күйдегі лазерлерде лазерлік орта ретінде қолданылатын кристалл. Қоспа, +3 валенттік неодим, Nd(III), әдетте иттрий алюминий гранаты (YAG) кристалдық торының ішіндегі иттрий иондарының шағын бөлігін (1%) алмастырады, себебі екі ионның да мөлшері шамалас. Лазерлік белсенділікті кристаллда осы неодим ионы қамтамасыз етеді, рубин лазерлеріндегі қызыл хром ионы сияқты.
Nd:YAG (neodymium doped yttrium aluminum garnet; Nd:Y3Al5O12) is a crystal that is used as a lasing medium for solid state lasers. The dopant, neodymium in the +3 oxidation state, Nd(III), typically replaces a small fraction (1%) of the yttrium ions in the host crystal structure of the yttrium aluminum garnet (YAG), since the two ions are of similar size. It is the neodymium ion which provides the lasing activity in the crystal, in the same fashion as red chromium ion in ruby lasers.
Технология
Nd:YAG лазерлері флэш-түтік немесе лазерлік диодтарды қолдана отырып оптикалық түрде сорғыланады. Бұл лазерлердің ең көп таралған түрлерінің бірі және олар көптеген әртүрлі қолданыстарда қолданылады. Nd:YAG лазерлері әдетте инфрақызыл диапазонда 1064 нм толқын ұзындығы бар жарық шығарады. Дегенмен, 946, 1120, 1320 және 1440 нм-ге жақын ауысулар да болады. Nd:YAG лазерлері импульстік және үздіксіз режимдерде жұмыс істейді. Импульстік Nd:YAG лазерлері көбінесе Q-коммутациялау режимінде жұмыс істейді: лазер қуысына оптикалық коммутатор енгізіліп, неодим иондарында максималды популяция инверсиясы күтілгенге дейін ашылмайды. Содан кейін жарық толқыны қуыс арқылы өтіп, максималды популяция инверсиясы кезінде қозу энергиясын жояды. Бұл Q-коммутацияланған режимде 250 мегаватттық шығыс қуаты мен 10-25 наносекундтық импульс ұзақтығына қол жеткізілді. Жоғары интенсивті импульстерді тиімді түрде жиілікті екі еселеп, 532 нм толқын ұзындығында лазерлік жарық немесе 355, 266 және 213 нм жоғары гармоникаларын жасауға болады. Nd:YAG көбінесе 730–760 нм және 790–820 нм аралықтарындағы спектрлік жолақтарда сіңіреді. Материалдағы неодим қоспасының мөлшері оның қолданылуына байланысты өзгереді. Ұзақ толқынды шығару үшін қоспа мөлшері импульстік лазерлерге қарағанда әлдеқайда төмен болады. Аз қоспаланған CW таяқшалары ақ түске жақын, аздап боялған, ал көп қоспаланған таяқшалар қызғылт-күлгін түсті болады. Неодим үшін басқа да кең таралған матрицалық материалдар: YLF (иттрий литий фториді, 1047 және 1053 нм), YVO4 (иттрий ортованадаты, 1064 нм) және шыны. Оптикалық, механикалық және жылулық қасиеттердің қажетті комбинациясын алу үшін нақты матрицалық материал таңдалады. Nd:YAG лазерлері мен олардың түрлері флэш-түтіктермен, үздіксіз газдық разряд шамдарымен немесе жақын инфрақызыл лазерлік диодтармен (DPSS лазерлері) сорғыланады. Алдын ала тұрақтандырылған лазерлердің (PSL) Nd:YAG түрлері LIGO, VIRGO, GEO600 және TAMA сияқты гравитациялық толқын интерферометрлері үшін негізгі сәулелерді қамтамасыз етуде ерекше пайдалы болып табылды.
Медицина
Nd:YAG лазерлері офтальмологияда катаракта операциясынан кейін артқы капсулалық қабынуды түзету үшін, созылмалы және жедел бұрыш жабылу глаукомасы бар науқастарда перифериялық иридотомия жасау үшін қолданылады, мұнда ол хирургиялық иридектомияны көбінесе ығыстырды, шыны тәрізді денедегі қозғалмалы бөлшектерді емдеу үшін, пролиферативті диабетикалық ретинопатияны емдеуде пан-желқаныштық фотокоагуляция үшін және офтальмологиялық жануарлар зерттеулерінде торлы қабықты зақымдау үшін пайдаланылады. 1064 нм толқын ұзындығында жарық шығаратын Nd:YAG лазерлері лазерлік термотерапия үшін ең көп қолданылатын лазер болып табылады, онда сәуле арқылы әртүрлі органдардағы қатерсіз немесе қатерлі ісіктер жойлады. Онкологияда Nd:YAG лазерлері тері қатерлі ісігін алып тастау үшін қолданылуы мүмкін. Олар сондай-ақ қатерсіз бүйрек үсті безінің ісіктерін кішіретуге және бауырдың біріншілік және екіншілік қатерлі зақымдануларын жоюға қолданылады. Жақсы қарынды простата гиперплазиясын (ЖҚП) емдеу үшін Nd:YAG лазерлері простатаның трансуретральды резекциясының бір түрі – лазерлік простата хирургиясында қолданылуы мүмкін. Бұл лазерлер косметикалық медицина саласында лазерлік шаш алу және бет пен аяқтардағы тамырлы жұлдыздар сияқты ұсақ тамырлардың ақауларын емдеу үшін де кеңінен қолданылады. Nd:YAG лазерлері веналық көл тәрізді зақымдарды емдеу үшін де қолданылады. Соңғы кезде Nd:YAG лазерлері бас терісінің диссекциялық целлюлитін емдеу үшін қолданылуда, бұл сирек кездесетін тері ауруы. Гистероскопия арқылы Nd:YAG лазері жатырдың ішіндегі жатыр септігін алып тастау үшін қолданылды. Подиатрияда Nd:YAG лазері онихомикозды емдеу үшін қолданылады, бұл саңырауқұлақтың тырнақ инфекциясы. Мұндай инфекцияларды лазерлік емдеудің тиімділігі әлі толық анықталған жоқ, және тиімділігін анықтау үшін зерттеулер жүргізілуде.
Тіс дәрігерлігі
Nd: YAG тіс лазерлері тіс кариесін жою үшін, бұрғылау терапиясына балама ретінде қолданылған, бірақ оның қолданылуын растайтын деректердің сапасы төмен. Олар ауыз қуысының жұмсақ тіндерін хирургиялық жолмен емдеуде де қолданылады, мысалы, гингивектомия, периодонтальді сулькус тазалау, LANAP және пульпотомия сияқты процедураларда. Nd: YAG тіс лазерлері тіс сезімталдығын емдеу және алдын алу, сондай-ақ периодонтальдық құралдармен бірге қолдану және рецидивті афтоздық стоматитті емдеуде тиімді екені көрсетілген.
Өңдеу
Nd:YAG лазерлері өндірісте әртүрлі металдар мен пластиктерді гравировкалау, кесу немесе таңбалау үшін, немесе лазерлік қаптау сияқты металл беттерін жақсарту процестері үшін қолданылады. Олар темірді, жартылай өткізгіштерді және әртүрлі қорытпаларды кесу және дәнекерлеу үшін кеңінен қолданылады. Автомобильдік қолдану үшін (темірді кесу және дәнекерлеу) қуат деңгейлері әдетте 1–5 кВт құрайды. Газ турбинасының бөлшектері үшін супер қорытпаны бұрғылау әдетте импульстік Nd:YAG лазерлерін (миллисекундтық импульстер, Q-свитчтелмеген) пайдаланады. Nd:YAG лазерлері сондай-ақ шыны немесе акрил шыны сияқты мөлдір материалдарға, сондай-ақ жеке куәліктер үшін ақ және мөлдір поликарбонатқа сыртқы таңбаларды жасау үшін қолданылады. Аддитивті қабатты өндірісте металдарды селективті лазерлік балқыту үшін 2 кВт-қа дейінгі лазерлер қолданылады. Ғарыш өнеркәсібінде олар ауа ағыны мен жылу шығынының тиімділігін арттыру үшін салқындату тесіктерін бұрғылау үшін пайдаланылуы мүмкін. Nd:YAG лазерлері сондай-ақ дәстүрлі емес жылдам прототиптеу процесінде лазерлік инженерлік желілік пішіндеуде (LENS) қолданылады. Лазерлік қақыру әдетте жоғары энергиялы (10-дан 40 джоульге дейін) 10-30 наносекундтық импульсті пайдаланады. Лазерлік сәуле диаметрі бірнеше миллиметрге дейін шоғырландырылып, детальдің бетіне гигаватт қуатты жеткізеді. Лазерлік қақыру басқа өндіріс процестерінен айырмашылығы, ол материалды қыздырмайды немесе қоспайды; бұл металл компонентті суық өңдеудің механикалық процесі, мақсаты – металлға қысымды қалдық кернеулерді беру. Лазерлік қақыру кеңінен ғарыш және электр энергиясын өндіруде газ турбиналы қозғалтқыштарда күштілігін арттыру және зақымдануға және металл шаршауға төзімділігін жақсарту үшін қолданылады.
Сұйықтық динамикасы
Nd: YAG лазерлерін сұйықтық динамикасындағы ағын визуализациялау әдістерінде қолдануға болады (мысалы, бөлшектік бейне жылдамдық өлшеу немесе лазерлік индукцияланған флуоресценция).
Биофизика
Nd: YAG лазерлері көбінесе биологиялық қолданбалар үшін оптикалық пинцеттер құруға қолданылады. Бұл Nd: YAG лазерлерінің көбінесе 1064 нм толқын ұзындығында сәуле шығаруына байланысты. Биологиялық үлгілердің осы толқын ұзындығында сіңіру коэффициенті төмен, себебі биологиялық үлгілердің құрамында көбінесе су болады. Осылайша, Nd: YAG лазерін пайдалану зертенеін үлгіге келтірілетін зиянды азайтады.
Автомобильдік
Жапонияның Ұлттық жаратылыстану ғылымдары институтының зерттеушілері қозғалтқышта отынды тұтандыру үшін ұшқын шығарғыш орнына YAG кристалдарын қолданатын лазерлік тұтандырғыштарды жасап жатыр. Лазерлер отынды тұтандыру үшін бірнеше 800 пикосекундтық импульстерді пайдаланады, бұл оның тез және біркелкі тұтануын қамтамасыз етеді. Зерттеушілердің пікірінше, мұндай тұтандырғыштар жақсырақ өнімділікке және отынның үнемді пайдаланылуына, сондай-ақ зиянды шығарындылардың азаюына мүмкіндік береді.
Әскери
Nd: YAG лазері лазерлік белгілеуіштер мен лазерлік қашықтық өлшегіштерде ең көп қолданылатын лазер болып табылады. Иран-Ирак соғысы барысында ирандық әскерлер түрлі ирактық көздерден, оның ішінде танк қашықтық өлшегіштерінен туындаған лазерлік көз зақымданудың 4000-нан астам жағдайына тап болды. Nd: YAG лазерінің 1064 нм толқын ұзындығы ерекше қауіпті деп есептеледі, себебі ол көрінбейді және алғашқы әсер ауыртпайды. Қытайдың ZM 87 соқырландыратын лазерлік қаруы осы типтегі лазерді пайдаланады, алайда белгілі бір конвенциялық қарулар туралы конвенцияға сәйкес тыйым салынғандықтан олардың тек 22 ғана данасы өндірілді. Солтүстік Корея 2003 жылы американдық тікұшақтарға қарсы осындай қаруды қолданған деген хабар бар.
Қауысты сақиналық спектроскопия (CRDS)
Nd:YAG қуыс шеңберінің төмендеу спектроскопиясында қолданылуы мүмкін, бұл жарық сіңіретін кейбір заттардың концентрациясын өлшеуге арналған.
Лазерлік индукцияланған бөліну спектроскопиясы (LIBS)
Периодтық кестедегі элементтерді талдау үшін Nd:YAG лазерлерінің бірнеше түрі қолданылады. Бұл қолданыс XRF немесе ICP сияқты дәстүрлі әдістерге қарағанда салыстырмалы түрде жаңа болғанымен, элементтердің мөлшерін анықтау үшін одан аз уақыт кетеді және ол арзан балама болып табылады. Жоғары қуатты Nd:YAG лазері үлгінің бетіне бағытталып, плазма жасайды. Плазмадан шығатын жарық спектрометрлермен тіркеледі және әр элементтің ерекше спектрлері анықталады, бұл үлгідегі элементтердің мөлшерін өлшеуге мүмкіндік береді.
Лазерлік сорғылау
Nd: YAG лазерлері, негізінен екінші және үшінші гармоникалары арқылы, сұйық немесе қатты күйдегі бояу лазерлерін қоздыруға кеңінен қолданылады. Олар сондай-ақ Cr4+: YAG сияқты виброникалық кеңейтілген қатты күйдегі лазерлерді сорғылау үшін, немесе Ti: сапфир лазерлерін екінші гармоника арқылы сорғылау көзі ретінде қолданылады.
Қосымша жиіліктер
Көптеген қолданбалар үшін инфрақызыл сәуле көрінетін (532 нм, жасыл) немесе ультракүлгін сәуле алу үшін литий трибораты сияқты сызықтық емес оптикалық материалдарды пайдаланып, жиілігі екі есе немесе үш есе көбейтіледі. Цезий литий бораты Nd:YAG 1064 нм негізгі толқын ұзындығының 4-ші және 5-ші гармоникасын жасайды. Жасыл лазерлік нұсқауыш – жиілігі екі еселенген Nd:YVO4 диодты сорғыланған қатты күйдегі лазер (DPSS лазері). Nd:YAG негізгі емес толқын ұзындығында да лазерлік сәуле шығаруға болады. 946 нм толқын ұзындығындағы сызық әдетте "көк лазерлік нұсқауыш" DPSS лазерлерінде қолданылады, онда ол 473 нм-ге дейін екі еселенеді.
Nd:YAG-тің жарылыс шалу көрсеткіші
Толқын ұзындығы (мкм) көрсеткіш n (25 °C)0,8 1,82450,9 1,82221,0 1,81971,2 1,81521,4 1,81211,5 1,8121