Nd – YAG LASER

Cosma Anca – Maria

Motivaţia alegerii temei

Scopul lucrării este de a prezenta câteva generalităţi despre laseri şi o particularizare pentru laserul cu Nd, care are numeroase aplicaţii.

Laserul Laserul este o prescurtare pentru amplificarea luminii prin stimularea emisiei de radiaţii. Laserele sunt aparate care amplifică lumina şi produc raze luminoase coerente, variind între infraroșu şi ultraviolet. O undă luminoasă este coerentă atunci când undele sale sau fotonii săi se propagă în etape unele faţă de celelalte. Lumina laserului poate fi astfel foarte intensă, şi foarte bine direcţionată, fiind foarte pură in cazul culorii sale(frecventei).

Componentele esenţiale ale unui sistem cu laser: :

Mediu activ sau mediu Poartă: Este sistemul în care inversiunea popula iei i, prin urmare emisia stimulată ț ș(ac iune laser) este stabilităț .

Mecanismul de pompare: Este mecanismul prin care inversiunea de popula ie se realizează de țexemplu, aceasta este metoda pentru ridicarea atomilor de la un nivel de energie mai mic la un nivel de energie mai mare pentru a realiza tranzi ia laser. ț

Mediuactiv

Mecanism depompare

Rezonator optic

PROPRIETĂŢI ALE RADIAŢIEI LASER 1. Direcţionalitate. 2. Monocromaticitate. 3. Densitate de putere, strălucire.

4. Coerenţa spaţială şi temporală.

Principii de operare:

Laserul folosește atomii pentru a emite lumina intr-un mod coerent. Electronii atomilor aflaţi in mediul laserului sunt întâi absorbiţi, sau energizaţi, intr-o formă excitată de către o sursa de energie. Ei sunt apoi”stimulaţi” de către fotonii externi pentru a emite energie in forma de fotoni, un proces numit emisie stimulată. Fotonii emiși au o frecvenţă caracteristică atomilor şi se produc in etape cu fotonii stimulaţi. Acești fotoni în mişcare acţionează asupra altor atomi pentru a se produce alţi fotoni. Amplificarea luminii este realizata atunci când fotonii se deplasează înainte şi înapoi intre două oglinzi paralele, emiţând o rază stimulată. Lumina laserului intensă, direcţionată si monocromatica iese în final prin una dintre oglinzi, argintată parţial.

MECANISME DE POMPAJ DIFERITE :i. Pompare optică: Expunerea la radiațiile electromagnetice de

frecvență υ = (E2-E1) / h obținută din descărcarea în tub bliț rezultată prin pompare. Este potrivită pentru laseri în stare solidă.

ii. Descărcare electrică: Inversiunea de populație este stabilită prin ciocniri inelastice atom-atom. Este potrivită pentru laseri cu gaz

iii. Pompare chimică: Prin reacție chimică adecvată în mediul activ, populația de pe nivelul excitat creşte comparativ cu cea a nivelului de bază. Potrivit pentru lasere lichide.

iv. Rezonator optic: O pereche de oglinzi plasate pe fiecare parte a mediului activ este cunoscută ca rezonator optic. O oglindă este complet argintată, iar celălaltă este parțial argintată. Raza laser iese prin oglinda parțial argintată.

Tipuri de lasere (bazat pe acțiunea de pompare) :•Laser cu pompaj optic•Laser cu pompaj electric•Bazat pe modul de funcționare•Lasere cu undă continuă•Lasere în impulsuri•Potrivit lungimii lor de undă:•Regiune vizibilă, Regiune infraroșie, Regiune ultravioletă, regiune cu microunde, Regiune cu raze X etc,Potrivit sursei:•Dye Laser(laser cu colorant organic), Laser cu gaz, lasere chimice, lasere cu vapori de metal, lasere cu mediu solid, lasere cu semiconductor și alte tipuri.

Nd: YAG Laser (Laser cu izolator dopat) :Mediu lasing (generarea de lumină coerentă de un laser) :

In majoritatea laserilor cu mediu activ solid elementele "active" sunt ionii. Aceşti ioni sunt dispersaţi într-o concentraţie foarte mică fie într-o reţea cristalină pură, fie sunt inseraţi într-o matrice amorfă cum este sticla sau plasticul. in aceasta categorie, se încadrează laserul cu sticla dopata cu neodim si laserul cu granaţi (YAG) dopat cu neodim.

Mediul gazdă pentru acest laser este Yttrium Aluminium granat (YAG = Y3 Al5 O12) cu 1.5% ioni trivalenți de neodim (Nd3+) prezenţi ca impurită iț .

Continuare. Când un ion (Nd3+) este plasat într-o rețea

cristalină gazdă este supus câmpului electrostatic al ionilor din jur, așa numitul câmp al cristalului.

Câmpul cristalului modifică probabilitatea de tranziție între diferitele niveluri de energie ale ionului de Nd3+ astfel încât unele tranziții, care sunt interzise ionului liber, devin permise.

Nd: YAG laser

Lungimea baghetei laserului Nd: YAG variază de la 5 cm la 10 cm, în funcție de puterea laserului și diametrul său, este în general de 6 la 9 mm.

Tija cu laser și o lampa blitz liniară sunt adăpostite într-o cavitate reflectoare eliptică

Deoarece tija și lampa se află în focarele elipsei, lumina emisă de lampă este cuplată în mod eficient la tijă.

Capetele tijei sunt lustruite și a făcute optic plate și paralele.

Continuare.•Cavitatea optică este formată fie prin argintarea celor două capete ale tijei sau prin folosirea a două oglinzi reflectorizante exterioare.• O oglindă reflectă sută la sută, în timp ce celălală oglindă este lăsată să transmită spre ieşire.• Sistemul este răcit fie cu aer sau de circulaţia apei.

DIAGRAMA NIVELULUI DE ENERGIE

Diagrama simplificată a nivelului de energie pentru ionii Nd-YAG care arată principalele tranziții ale laserului

Acest sistem laser are două benzi de absorbţie (0.73 µm şi 0.8 µm)

Este folosit mecanismul de pompare optică.

Tranziţie laser are loc între două niveluri ale laserului la 1.06 mm.

Caracteristici de ieșire : Ieșirea laserului este sub formă de impulsuri cu o

frecvenţă de repetiţie mare.

Lămpi cu xenon sunt utilizate pentru ieșire în impulsuri.

Nd: YAG poate fi utilizat de asemenea în mod CW (undă continuă), folosind lampă cu incandescenţă cu halogenuri-tungsten pentru pompare optică.

Se obţin puteri continue de ieșire de peste 1 KW.

Notă: Nd: laser cu sticlă : Sticla actionează ca un material gazdă excelent pentru

neodim.

Ca și în YAG, în sticlă de asemenea, câmpuri electrice locale modifică nivelul de energie al ionilor Nd3+.

Având în vedere că lăţimea liniei este mult mai largă în sticlă decât în YAG pentru ionii Nd3+ , puterea pragului de pompaj necesare pentru acţiunea laserului este mai mare.

Nd: Lasere cu sticla sunt operate în modul pulsatoriu la lungimea de undă 1.06 µm

Nd:YAG/ Nd: Aplicatii ale laserului cu sticlă :Aceste lasere sunt folosite în multe aplicaţii știinţifice care

implică generarea de alte lungimi de undă ale luminii.

Importante utilizări industriale ale YAG și lasere de sticlă au fost în procesarea materialelor, cum ar fi sudura, taierea, gaurirea.

Deoarece radiaţiile cu lungimea de undă 1,06 µm trece prin fibra optică fără absorbţie, endoscoapele cu fibră optică cu laser YAG sunt folosite pentru a trata hemoragii gastro-intestinale.

Sisteme de livrare

•Fasciculul YAG pătrunde în cristalin pentru a efectua proceduri intraoculare.

•Laserele YAG sunt utilizate pentru tratarea glaucomului prin iridotomia laser. Aceasta este o procedură care constă în realizarea unui canal de scurgere prin iris pentru umoarea apoasă (lichidul din ochi) pentru a facilita eliminarea acesteia.

• Laserele YAG sunt utilizate pentru tratarea onicomicozei şi a verucilor

• Laserele YAG sunt utilizate în serviciile militare la telemetrie și identificarea țintei.

• Laserele YAG sunt utilizate pentru tratarea cataractei secundare, tratament care se numeste capsulotomie laser YAG.

Concluzie: Laserul este folosit in diverse domenii, cum ar fi: tehnica,medicina: dermatologie,in tratarea unor afecţiuni grave ale pielii, in lupta împotriva cancerului etc., in biologie, in tot ceea ce implică cercetare. Oftalmologia a fost unul din principalele câmpuri ale medicinii, şi după mai mult de 25 ani, acesta poate fi folosit de la diagnostic la tratament.

Bibliografie: • Kang, Weekyung; E. R. Bernstein (2005). „Formation of Yttrium Oxide Clusters Using Pulsed Laser „

• Kiss, Z. J.; Pressley, R. J. (1 octombrie 1966). „Crystalline solid lasers”. Proceedings of the IEEE. 54. IEEE. pp. 1236–1248. issn: 0018-9219. Accesat la 16 august 2008.

• Kong, J.; Tang, D. Y.; Zhao, B.; Lu, J.; Ueda, K.; Yagi, H. and Yanagitani, T. (2005). „9.2-W diode-pumped Yb:Y2O3 ceramic laser”. Applied Physics Letters

• Internetul