Laserul NdYAG

Laserul cu Nd:YAG

YAG-ul - acronimul de la cuvintele din limba engleză: ytrium aluminium garnet, un compus ternar format dintr-un amestec de Y2O3 şi Al2O3 având compoziţia 3Y2O3 :5Al2O3 – granatul de ytriu-aluminiu

- este un cristal optic izotrop care cristalizează în sistemul cubic,

- are indicele de refracţie n=1,83 la temperatura de 20oC,

- radiaţia emisă de acest tip de laser este nepolarizată.

Laserii cu YAG dopat cu neodim au ca mediu gazdă cristalul Y3Al2G15, în care ionii Y3+ sunt înlocuiţi cu ionii Nd3+.

Cristalul de YAG prezintă proprietăţi optice şi mecanice foarte bune, având un prag al efectului laser foarte scăzut, o conductibilitate termică ridicată şi fiind capabil să funcţioneze la temperatura de 20-25oC în regim continuu sau regim pulsat cu o frecvenţă de repetiţie ridicată.

Cristalele de YAG sunt crescute dintr-o soluţie de săruri topite, într-un creuzet de platină închis, menţinut la temperatura de 1150oC, timp de 24 de ore, şi apoi răcit până la 750-850oC cu o rată de 4,3oC pe oră. Compoziţia amestecului de săruri este 3,4 mol% Y2O3, 7 mol% Al2O3, 41,5 mol% PbO şi 48,1 mol% PbF2.

Principiul de funcţionare

Laserul cu YAG dopat cu Nd3+ este în mare măsură folosit în regim de funcţionare continuă.

Un laser cu YAG dopat cu neodim este un laser cu patru nivele energetice.

Linia laser emisă este situată în infraroşu apropiat, având lungimea de undă λ=1,06m, care corespunde tranziţiei 4F3/2  4I11/2.

O iradiere intensă în lumină albă populează ansamblul nivelelor situate deasupra nivelului 4F3/2, de unde ionii revin către acesta prin jocul tranziţiilor neradiative.

Nivelul inferior 4I11/2 este situat la 2000 cm-1 deasupra nivelului fundamental 4I9/2 şi este vid la temperatura ordinară. Aceasta uşurează realizarea pragului de pompaj.

Tranziţiile stimulate nu se opresc la nivelul fundamental, ci pe un nivel intermediar, E2, care are un timp mediu de viaţă relativ scurt. Deoarece acest nivel terminal este de obicei vid, este posibil să se realizeze inversie de populaţie cu energie din exterior relativ scăzută

Intervalul de energie dintre nivelul terminal E2 şi nivelul fundamental E1 variază de la un ion la altul, dar el este, în general, mai slab decât intervalul de energie dintre nivelele de energie E2 şi E3.

Durata medie de viaţă a nivelului de energie E2 trebuie să fie scurtă, în caz contrar producându-se un fenomen de acumulare pe acest nivel şi, deci, o scădere a inversiei de populaţie.

Înainte ca emisia de populaţie să fie preponderentă, populaţia nivelului de energie E2 este determinată de condiţiile de echilibru termic dintre nivelele de energie E1 şi E2.

Pentru ca nivelul de energie E2 să rămână puţin ocupat, este necesar ca E2-E1>kBT. Astfel, adesea, temperatura cristalului decide dacă inversia de populaţie va fi realizată pentru o oarecare viteză de pompaj dată.

Eficienţa acestui tip de laser poate fi crescută dacă, în cristalul de YAG, se mai introduc şi impurităţi de Cr3+, care substituie ionul de Al3+. În acest caz are loc un transfer de energie neradiativ de la un ion de Cr3+ pompat pe nivelul 2E la un ion de Nd3+, care trece în starea 4F3/2.