Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
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: Y 3 Al 5 O 12 ) представляет собой кристалл, который используется в качестве среды для генерации твердотельных лазеров . Легирующей примеси , трехкратно ионизируется неодима , Nd (III), как правило , заменяет небольшую часть (1%) из иттрия ионов в принимающей кристаллической структуры иттрий - алюминиевого граната (АИГ), так как два иона имеют одинаковый размер. [1] Ион неодима обеспечивает лазерную активность в кристалле так же, как красный ион хрома в рубиновых лазерах .[1]

Лазерное действие Nd: YAG было впервые продемонстрировано JE Geusic et al. в Bell Laboratories в 1964 году. [2]

Технология [ править ]

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

Nd: YAG- лазеры имеют оптическую накачку с помощью лампы-вспышки или лазерных диодов . Это один из наиболее распространенных типов лазеров, которые используются во многих различных областях. Nd: YAG-лазеры обычно излучают свет с длиной волны 1064 нм в инфракрасном диапазоне . [3] Однако есть также переходы около 946, 1120, 1320 и 1440 нм. Nd: YAG-лазеры работают как в импульсном, так и в непрерывном режиме. Импульсные Nd: YAG-лазеры обычно работают в так называемом режиме модуляции добротности : в резонатор лазера вставляется оптический переключатель, ожидающий максимальной инверсии населенности.в ионах неодима перед открытием. Затем световая волна может пройти через резонатор, опустошая возбужденную лазерную среду при максимальной инверсии населенности. В этом режиме с модуляцией добротности достигается выходная мощность 250 мегаватт и длительность импульса от 10 до 25 наносекунд. [4] Частота импульсов высокой интенсивности может быть эффективно удвоена для генерации лазерного света 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] При низкой плотности тока криптоновые лампы-вспышки имеют более высокую мощность в этих диапазонах, чем более распространенные ксеноновые лампы, которые излучают больше света на длине волны около 900 нм. Поэтому первые более эффективны для накачки лазеров на Nd: YAG. [5]

Количество примеси неодима в материале варьируется в зависимости от его использования. Для выхода непрерывной волны легирование значительно ниже, чем для импульсных лазеров. Слегка легированные стержни CW можно оптически отличить по тому, что они менее окрашены, почти белые, в то время как более легированные стержни имеют розово-пурпурный оттенок. [ необходима цитата ]

Другими распространенными материалами-хозяевами для неодима являются: YLF ( фторид иттрия-лития , 1047 и 1053 нм), YVO 4 ( ортованадат иттрия , 1064 нм) и стекло . Выбирается конкретный материал-хозяин, чтобы получить желаемую комбинацию оптических, механических и тепловых свойств. Nd: YAG-лазеры и их варианты накачиваются либо лампами- вспышками , газоразрядными лампами непрерывного действия , либо лазерными диодами ближнего инфракрасного диапазона ( DPSS-лазеры ). Типы Nd: YAG-лазеров с предварительно стабилизированным лазером (PSL) оказались особенно полезными в обеспечении основных лучей для гравитационных волн. интерферометры типа LIGO , VIRGO , GEO600 и TAMA . [ необходима цитата ]

Приложения [ править ]

Медицина [ править ]

Фотография затемнения задней капсулы, сделанная с помощью щелевой лампы, видимая через несколько месяцев после имплантации интраокулярной линзы в глаз, видна при ретроиллюминации

Nd: YAG-лазеры используются в офтальмологии для коррекции помутнения задней капсулы , состояния, которое может возникнуть после операции по удалению катаракты , а также для периферической иридотомии у пациентов с острой закрытоугольной глаукомой , где она заменила хирургическую иридэктомию . Nd: YAG-лазеры с удвоенной частотой (длина волны 532 нм) используются для панретинальной фотокоагуляции у пациентов с диабетической ретинопатией . В некоторых случаях эти лазеры также используются для лечения мух на глазах . [6]

Nd: YAG-лазеры, излучающие свет с длиной волны 1064 нм, были наиболее широко используемым лазером для лазерно-индуцированной термотерапии , при которой доброкачественные или злокачественные образования в различных органах удаляются с помощью луча.

В онкологии лазеры Nd: YAG могут использоваться для удаления рака кожи . [7] Они также используются для уменьшения доброкачественных узлов щитовидной железы [8] и для уничтожения первичных и вторичных злокачественных поражений печени. [9] [10]

Для лечения доброкачественной гиперплазии предстательной железы (ДГПЖ) лазеры Nd: YAG могут использоваться для лазерной хирургии простаты - формы трансуретральной резекции простаты .

Эти лазеры также широко используются в области косметической медицины для лазерной эпиляции и лечения мелких сосудистых дефектов, таких как сосудистые звездочки на лице и ногах. Nd: YAG-лазеры также используются для лечения поражений губ Venous Lake. [11] Недавно Nd: YAG-лазеры стали использоваться для лечения расслаивающего целлюлита кожи головы , редкого кожного заболевания. [12]

С помощью гистероскопии лазер Nd: YAG использовался для удаления перегородок матки внутри матки. [13]

В подиатрии лазер Nd: YAG используется для лечения онихомикоза , 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 [ править ]

Nd: YAG стоматологические лазеры используются для мягких тканей хирургических вмешательств в полости рта , таких как Гингивэктомия , периодонта десневой борозды санация , Lanap , ампутации пульпы , френэктомия , биопсии и коагуляции привитых донорских участков. [ необходима цитата ]

Производство [ править ]

Nd: YAG-лазеры используются в производстве для гравировки, травления или маркировки различных металлов и пластмасс, а также для процессов улучшения поверхности металлов, таких как лазерное упрочнение . [17] Они широко используются в производстве для резки и сварки стали, полупроводников и различных сплавов. Для автомобильной промышленности (резка и сварка стали) уровни мощности обычно составляют 1–5 кВт. При сверлении сверхсплавов (для деталей газовых турбин) обычно используются импульсные лазеры Nd: YAG (миллисекундные импульсы, без модуляции добротности). Nd: YAG-лазеры также используются для нанесения подповерхностной маркировки на прозрачных материалах, таких как стекло или акриловое стекло.. Лазеры мощностью до 2 кВт используются для селективного лазерного плавления металлов в аддитивном слоистом производстве. В аэрокосмической отрасли их можно использовать для сверления охлаждающих отверстий для повышения эффективности воздушного потока / теплоотвода. [ необходима цитата ]

Nd: YAG-лазеры также используются в нетрадиционном процессе быстрого прототипирования лазерной технологии формирования сеток (LENS).

При лазерной упрочнении обычно используются высокоэнергетические (от 10 до 40 Джоулей) импульсные лазерные системы с 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 холодной обработки металлического компонента для передачи сжимающих остаточных напряжений. Лазерное упрочнение широко используется в газотурбинных двигателях как в аэрокосмической отрасли, так и в энергетике для повышения устойчивости к повреждению компонентов, повышения усталостной долговечности и прочности. [18]

Гидродинамика [ править ]

Nd: YAG-лазеры могут использоваться для методов визуализации потока в гидродинамике (например, для измерения скорости изображения частиц или индуцированной лазером флуоресценции ). [19]

Биофизика [ править ]

Лазеры Nd: YAG часто используются для создания оптических пинцетов для биологических применений. Это связано с тем, что лазеры 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 из воды.[20] Таким образом, использование Nd: YAG-лазера сводит к минимуму повреждение исследуемого биологического образца.

Автомобильная промышленность [ править ]

Исследователи из Национального института естественных наук Японии разрабатывают лазерные воспламенители, в которых для воспламенения топлива в двигателе используются чипы YAG вместо свечи зажигания . [21] [22] Лазеры используют несколько 800 пикосекундных импульсов 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.

Военные [ править ]

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

Nd: YAG-лазер - наиболее распространенный лазер, используемый в лазерных целеуказателях и лазерных дальномерах .

Во время ирано-иракской войны иранские солдаты пострадали более чем от 4000 случаев лазерных травм глаз, вызванных различными иракскими источниками, включая танковые дальномеры. Считается, что длина волны 1064 нм Nd: YAG особенно опасна, поскольку она невидима и первоначальное воздействие безболезненно. [23]

Китайский ZM-87 ослепляющего лазерного оружия использует лазер этого типа, хотя только 22 были произведены из - за их запрещения по Конвенции о конкретных видах обычного оружия . Сообщается, что Северная Корея применила одно из этих вооружений против американских вертолетов в 2003 году. [24] [25]

Спектроскопия кольца вниз (CRDS) [ править ]

Nd: YAG можно использовать в приложении кольцевой спектроскопии резонатора , которая используется для измерения концентрации некоторых светопоглощающих веществ. [ необходима цитата ]

Спектроскопия лазерного пробоя (LIBS) [ править ]

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 традиционными методами, такими как XRF или ICP, оно оказалось менее затратным по времени и более дешевым вариантом для проверки концентраций элементов. Мощный Nd: YAG-лазер фокусируется на поверхности образца для образования плазмы . Свет из плазмы улавливается спектрометрами, и можно идентифицировать характеристические спектры каждого элемента, что позволяет измерять концентрации элементов в образце. [ необходима цитата ]

Лазерная накачка [ править ]

Nd: YAG-лазеры, в основном через их вторую и третью гармоники, широко используются для возбуждения лазеров на красителях как в жидком [26], так и в твердом состоянии . [27] Они также используются в качестве источников накачки для твердотельных лазеров с колебательным уширением, таких как Cr 4+ : YAG, или через вторую гармонику для накачки Ti: сапфировых лазеров .

Дополнительные частоты [ править ]

Для многих приложений инфракрасный свет удваивается или утроен по частоте с использованием нелинейных оптических материалов, таких как триборат лития, для получения видимого (532 нм, зеленый) или ультрафиолетового света. Борат лития цезия генерирует 4-ю и 5-ю гармоники основной длины волны Nd: YAG 1064 нм. Зеленая лазерная указка представляет собой твердотельный лазер с диодной накачкой на Nd: YVO 4 с удвоенной частотой ( DPSS-лазер ). Nd: YAG также можно заставить генерировать генерацию на неглавной длине волны. Линия 946 нм обычно используется в лазерах DPSS с «синей лазерной указкой», где она удваивается до 473 нм. [ необходима цитата ]

Физические и химические свойства Nd: YAG [ править ]

Свойства кристалла YAG [ править ]

  • Формула: Y 3 Al 5 O 12
  • Молекулярный вес: 596,7
  • Кристаллическая структура: кубическая
  • Твердость: 8–8,5 (по шкале Мооса) [28]
  • Температура плавления: 1970 ° C (3540 ° F)
  • Плотность: 4,55 г / см 3

Показатель преломления Nd: YAG [ править ]

Длина волны (мкм)Индекс n (25 ° C)
0,81,8245
0,91,8222
1.01,8197
1.21,8152
1.41,8121
1.51,8121

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

  • Формула: Y 2,97 Nd 0,03 Al 5 O 12
  • Вес Nd: 0,725%
  • Атомы Nd в единице объема: 1,38 × 10 20 / см 3
  • Состояние заряда Nd: 3 +
  • Длина волны излучения: 1064 нм
  • Переход: 4 F 3/2 → 4 I 11/2
  • Продолжительность флуоресценции: 230 мкс [28]
  • 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
  • d n / d T : 7.3 × 10 −6 K −1
  • Модуль Юнга: 3,17 × 10 4 К · г / мм −2.
  • Коэффициент Пуассона: 0,25
  • Стойкость к тепловому удару: 790 Вт · м −1

Ссылки и примечания [ править ]

  1. ^ a b Кехнер §2.3, стр. 48–53.
  2. ^ Geusic, JE; Маркос, HM; Ван Уитер, LG (1964). «Лазерные колебания в иттриевых алюминиевых, иттриево-галлиевых и гадолиниевых гранатах, легированных nd-примесью». Письма по прикладной физике . 4 (10): 182. Bibcode : 1964ApPhL ... 4..182G . DOI : 10,1063 / 1,1753928 .
  3. ^ a b 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. ^ Koechner §6.1.1, стр. 251-64.
  6. ^ Kokavec Дж, В Z, Шервины JC, Ang АСО, Ang Г.С. (2017). «Лазерный витреолиз Nd: YAG по сравнению с витрэктомией pars plana для плавающих помутнений стекловидного тела» . Cochrane Database Syst Rev . 6 : CD011676. DOI : 10.1002 / 14651858.CD011676.pub2 . PMC 6481890 . PMID 28570745 .  CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )
  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. DOI : 10,1089 / pho.2008.2327 . PMID 19382838 . 
  8. ^ Valcavi R, Riganti F, Бертани A, D Формизано, Pacella CM (ноябрь 2010). «Чрескожная лазерная абляция холодных доброкачественных узлов щитовидной железы: последующее 3-летнее исследование у 122 пациентов». Щитовидная железа . 20 (11): 1253–61. DOI : 10.1089 / thy.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. DOI : 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. DOI : 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 высокоинтенсивного диодного лазера» . Фотомедицина и лазерная хирургия . 28 (2): 263–265. DOI : 10,1089 / pho.2009.2564 . PMC 2957073 . PMID 19811083 .  
  12. ^ Краснер Б.Д.; Hamzavi FH; Murakawa GJ; Хамзави IH (август 2006 г.). «Рассечение целлюлита с помощью длинноимпульсного Nd: YAG-лазера». Дерматологическая хирургия . 32 (8): 1039–44. DOI : 10.1111 / j.1524-4725.2006.32227.x . PMID 16918566 . S2CID 31317584 .  
  13. Перейти ↑ Yang J, Yin TL, Xu WM, Xia LB, Li AB, Hu J (2006). «Репродуктивный результат перегородки матки после гистероскопического лечения неодимовым: YAG-лазером». Фотомедицина Лазерная хирургия . 24 (5): 625. DOI : 10,1089 / pho.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. DOI : 10.1007 / s10103-012-1232-у . ISSN 0268-8921 . PMID 23179307 . S2CID 7950300 .   
  15. ^ Мозена, Джон; 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 в лечении онихомикозов» . Подиатрия сегодня . 22 (10): 46–51.
  17. ^ Исследования по лазерному упрочнению пружинной стали для автомобильной промышленности | Ранганатан Кандасами - Academia.edu
  18. ^ Технологии LSP
  19. ^ Палафокс, Гилберт Н .; Плетеный, Райан Б .; Элкинс, Кристофер Дж. (2003). «Быстрые эксперименты с физиологическим потоком in-vitro с использованием быстрого прототипирования и велосиметрии изображений частиц» (PDF) . Летняя конференция по биоинженерии 2003 г . : 419 . Проверено 10 октября 2007 .
  20. ^ DJ Стивенсон; Озеро ТК; 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 . DOI : 10,1364 / OE.14.009786 . PMC 2869025 . PMID 19529370 .  
  21. ^ Coxworth, Бен (21 апреля 2011). «Лазерные воспламенители могут положить конец скромной свече зажигания» . Гизмаг . Проверено 30 марта 2012 года .
  22. ^ Павел, Николай; и другие. (2011). «Композитный, цельнокерамический, Nd: YAG / Cr 4+ : YAG монолитный микролазер высокой пиковой мощности с многолучевым выходом для зажигания двигателя» . Оптика Экспресс . 19 (10): 9378–84. Bibcode : 2011OExpr..19.9378P . DOI : 10,1364 / OE.19.009378 . PMID 21643194 . 
  23. ^ https://fas.org/nuke/guide/iraq/other/laser.htm
  24. ^ Фишер, Франклин (2003-05-14). «США заявляют, что вертолеты Apache стали мишенью для лазерного оружия возле корейской демилитаризованной зоны» . Звезды и полосы . Проверено 20 декабря 2016 .
  25. ^ Листер, Тим. «Старение военных Северной Кореи , но ощутимые» . CNN. Архивировано из оригинала на 2010-11-26 . Проверено 24 декабря 2010 года .
  26. ↑ FP Schäfer (Ed.), Dye Lasers (Springer-Verlag, Berlin, 1990).
  27. ^ FJ Дуарте , перестраиваемый лазерная оптика (Elsevier-Academic, НьюЙорк, 2003).
  28. ^ а б Пашотта, Рюдигер. «ЯГ-лазеры» . Энциклопедия лазерной физики и техники . RP Photonics . Проверено 16 января 2018 .
  • 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.