Введение

Кристалл, используемый в качестве активной среды для твердотельных лазеров. Nd:YAG (неодимо-допированный гранат из итрия и алюминия; Nd:Y3Al5O12) – это кристалл, применяемый в качестве активной среды для твердотельных лазеров. Добавка, неодим в степени окисления +3, Nd(III), обычно замещает небольшую долю (1%) ионов иттрия в кристаллической решетке граната из итрия и алюминия (YAG), поскольку размеры этих двух ионов сопоставимы. Именно ион неодима обеспечивает генерацию лазерного излучения в кристалле, подобно тому, как ион хрома в рубиновых лазерах.

Технология

Nd:YAG лазеры оптически накачиваются с помощью флеш-лампы или лазерных диодов. Это один из наиболее распространенных типов лазеров, применяемый в самых разных областях. Nd:YAG лазеры обычно излучают свет с длиной волны 1064 нм в инфракрасном диапазоне. Однако существуют также переходы вблизи 946, 1120, 1320 и 1440 нм. Nd:YAG лазеры работают как в импульсном, так и в режиме непрерывного излучения. Импульсные Nd:YAG лазеры обычно работают в так называемом режиме Q-переключения: в лазерный резонатор вводится оптический переключатель, который ожидает достижения максимальной инверсии населенностей ионов неодима, прежде чем открыться. Затем световая волна может распространяться по резонатору, вызывая обесценение возбужденной лазерной среды при максимальной инверсии населенностей. В этом режиме Q-переключения были достигнуты выходные мощности 250 мегаватт и длительности импульса от 10 до 25 наносекунд. Высокоинтенсивные импульсы могут быть эффективно преобразованы во второй гармонике для генерации лазерного света на 532 нм или более высоких гармониках на 355, 266 и 213 нм. Nd:YAG поглощает в основном в диапазонах 730–760 нм и 790–820 нм. Концентрация неодимового допанта в материале варьируется в зависимости от области применения. Для непрерывного излучения допирование значительно ниже, чем для импульсных лазеров. Слабодопированные стержни для непрерывного излучения можно оптически отличить по менее выраженному цвету, почти белому, в то время как сильнодопированные стержни имеют розовато-фиолетовый оттенок. Другими распространенными матричными материалами для неодима являются: YLF (фторид иттрия-лития, 1047 и 1053 нм), YVO4 (ортованадат иттрия, 1064 нм) и стекло. Выбор конкретного матричного материала определяется необходимостью получения желаемой комбинации оптических, механических и термических свойств. Nd:YAG лазеры и их модификации накачиваются либо флеш-лампами, лампами с непрерывным газовым разрядом, либо ближними инфракрасными лазерными диодами (DPSS лазерами). Престабилизированные лазеры (PSL) на основе Nd:YAG оказались особенно полезными для обеспечения основных пучков гравитационно-волновых интерферометров, таких как LIGO, VIRGO, GEO600 и TAMA.

Медицина

Nd:YAG-лазеры используются в офтальмологии для коррекции задней капсульной опалесценции после операции по поводу катаракты, для периферической иридотомии у пациентов с хронической и острой глаукомой закрытоугольного типа, где они во многом заменили хирургическую иридектомию, для лечения мушек перед глазами, для панретинофотокоагуляции при лечении пролиферативной диабетической ретинопатии и для повреждения сетчатки в офтальмологических исследованиях на животных. Nd:YAG-лазеры, излучающие свет на длине волны 1064 нм, являются наиболее широко используемыми лазерами для лазерно-индуцированной термотерапии, при которой доброкачественные или злокачественные новообразования в различных органах аблатируются лазерным лучом. В онкологии Nd:YAG-лазеры могут применяться для удаления рака кожи. Они также используются для уменьшения доброкачественных узлов щитовидной железы и для разрушения первичных и вторичных злокачественных поражений печени. Для лечения доброкачественной гиперплазии предстательной железы (ДГПЖ) Nd:YAG-лазеры могут использоваться при лазерной хирургии простаты – форме трансуретральной резекции простаты. Эти лазеры также широко применяются в косметологии для лазерной эпиляции и лечения незначительных сосудистых дефектов, таких как сосудистые звездочки на лице и ногах. Nd:YAG-лазеры также используются для лечения венозных липом (гемангиом). В последнее время Nd:YAG-лазеры стали применяться для лечения расщепляющего целлюлита кожи головы – редкого кожного заболевания. С использованием гистероскопии Nd:YAG-лазер применяется для удаления внутриматочных перегородок. В подологии Nd:YAG-лазер используется для лечения онихомикоза – грибковой инфекции ногтей стоп. Преимущества лазерного лечения этих инфекций пока не установлены, и проводятся исследования для определения его эффективности.

Стоматология

Для удаления кариеса зубов в качестве альтернативы традиционному бормашинному лечению используются Nd:YAG зубные лазеры, хотя доказательства, подтверждающие их эффективность, имеют низкое качество. Они также применяются для хирургических вмешательств на мягких тканях полости рта, таких как гингивектомия, кюретаж периодонтальных карманов, LANAP и пульпотомия. Показано, что Nd:YAG зубные лазеры эффективны в лечении и профилактике повышенной чувствительности зубов, в качестве вспомогательного средства при инструментальной обработке периодонта, а также для лечения рецидивирующего афтозного стоматита.

Производство

Nd:YAG-лазеры используются в производстве для гравировки, травления или маркировки различных металлов и пластмасс, а также для процессов улучшения поверхности металла, таких как лазерное упрочнение. Они широко применяются в производстве для резки и сварки стали, полупроводников и различных сплавов. Для автомобильных применений (резка и сварка стали) уровни мощности обычно составляют 1–5 кВт. Бурение сверхсплавов (для деталей газовых турбин) обычно выполняется импульсными Nd:YAG-лазерами (миллисекундные импульсы, не Q-коммутируемые). Nd:YAG-лазеры также используются для создания скрытых маркировок в прозрачных материалах, таких как стекло или акриловое стекло, и в белом и прозрачном поликарбонате для документов, удостоверяющих личность. Лазеры мощностью до 2 кВт используются для селективного лазерного плавления металлов в аддитивном послойном производстве. В аэрокосмической промышленности они могут применяться для сверления охлаждающих отверстий для повышения эффективности воздушного потока и отвода тепла. Nd:YAG-лазеры также используются в нетрадиционном процессе быстрого прототипирования – лазерном формировании методом наплавки (LENS). Лазерное упрочнение обычно использует импульс высокой энергии (10–40 джоулей) длительностью 10–30 наносекунд. Лазерный луч фокусируется до нескольких миллиметров в диаметре для доставки гигаваттов мощности на поверхность детали. Лазерное упрочнение отличается от других производственных процессов тем, что оно не нагревает и не добавляет материал; это механический процесс холодной обработки металлической детали для создания сжимающих остаточных напряжений. Лазерное упрочнение широко используется в газотурбинных двигателях как в аэрокосмической промышленности, так и в энергетике для повышения прочности и улучшения сопротивления повреждениям и усталости металла.

Динамика жидкостей

Nd: YAG лазеры могут использоваться для методов визуализации течений в гидродинамике (например, для визуализации скорости частиц или лазерно-индуцированной флуоресценции).

Биофизика

Nd:YAG лазеры часто используются для создания оптических пинцетов в биологических исследованиях. Это обусловлено тем, что Nd:YAG лазеры преимущественно излучают на длине волны 1064 нм. Биологические образцы обладают низким коэффициентом поглощения на этой длине волны, поскольку в основном состоят из воды. Следовательно, использование Nd:YAG лазера позволяет минимизировать повреждение исследуемого биологического образца.

Автомобильная промышленность

Исследователи из Национального института естественных наук Японии разрабатывают лазерные зажигатели, использующие YAG-чипы для воспламенения топлива в двигателе вместо свечи зажигания. Лазеры используют серию импульсов длительностью 800 пикосекунд для воспламенения топлива, обеспечивая более быстрое и однородное зажигание. По мнению исследователей, такие зажигатели могут обеспечить повышенную производительность и экономию топлива, а также снизить количество вредных выбросов.

Военный

Лазер Nd:YAG является наиболее распространенным лазером, используемым в лазерных целеуказателях и лазерных дальномерах. Во время ирано-иракской войны иранские солдаты получили более 4000 случаев повреждений глаз, вызванных лазерным излучением, от различных иракских источников, включая дальномеры танков. Считается, что длина волны Nd:YAG в 1064 нм особенно опасна, поскольку она невидима и первоначальное воздействие безболезненно. Китайское ослепляющее лазерное оружие ZM 87 использует лазер этого типа, однако из-за запрета Конвенцией об определенном обычном оружии было произведено всего 22 экземпляра. По сообщениям, в 2003 году Северная Корея применила одно из этих орудий против американских вертолетов.

Спектроскопия с кольцевым снижением в полости (CRDS)

Nd:YAG может применяться в спектроскопии с выщелачиванием в резонаторе, которая используется для измерения концентрации веществ, поглощающих свет.

Лазерная спектроскопия (LIBS)

Ряд Nd:YAG лазеров используется для анализа элементов периодической таблицы. Хотя само применение относительно ново по сравнению с традиционными методами, такими как XRF или ICP, оно оказалось менее затратным по времени и более экономичным способом определения концентраций элементов. Мощный Nd:YAG лазер фокусируется на поверхности образца для создания плазмы. Спектрометры захватывают свет, излучаемый плазмой, и на основе характерных спектров каждого элемента можно определить концентрацию элементов в образце.

Лазерная насосная работа

Nd:YAG лазеры, главным образом посредством второй и третьей гармоник, широко применяются для накачки красильных лазеров как в жидком, так и в твердотельном исполнении. Они также используются в качестве источников накачки для вибронически уширенных твердотельных лазеров, таких как Cr⁴+:YAG, или посредством второй гармоники для накачки Ti:сапфировых лазеров.

Дополнительные частоты

Для многих применений инфракрасный свет удваивают или утраивают частоту, используя нелинейные оптические материалы, такие как триборат лития, для получения видимого (532 нм, зеленого) или ультрафиолетового света. Борат лития-цезия генерирует 4-ю и 5-ю гармоники основной длины волны Nd:YAG 1064 нм. Зеленый лазерный указатель представляет собой диодно-накачиваемый твердотельный лазер (DPSS лазер) с частотно удвоенным Nd:YVO4. Nd:YAG также может быть запущен в генерацию на не основной длине волны. Линия на 946 нм обычно используется в DPSS лазерах "синего лазерного указателя", где она удваивается до 473 нм.

Индекс преломления Nd:YAG

Длина волны (мкм) Показатель преломления n (25 °C)0,8 1,82450,9 1,82221,0 1,81971,2 1,81521,4 1,81211,5 1,8121