Laser Nd: YAG - Nd:YAG laser
Nd: YAG ( granada de ítrio-alumínio dopado com neodímio ; Nd: Y 3 Al 5 O 12 ) é um cristal que é usado como meio de laser para lasers de estado sólido . O dopante , neodímio triplamente ionizado , Nd (III), normalmente substitui uma pequena fração (1%) dos íons de ítrio na estrutura de cristal do hospedeiro da granada de ítrio alumínio (YAG), uma vez que os dois íons são de tamanho semelhante. É o íon de neodímio que fornece a atividade de lasing no cristal, da mesma forma que o íon de cromo vermelho nos lasers de rubi .
A operação a laser de Nd: YAG foi demonstrada pela primeira vez por JE Geusic et al. nos Laboratórios Bell em 1964.
Tecnologia
Os lasers Nd: YAG são bombeados opticamente usando um flashtube ou diodos de laser . Esses são um dos tipos mais comuns de laser e são usados para muitas aplicações diferentes. Os lasers Nd: YAG normalmente emitem luz com um comprimento de onda de 1064 nm , no infravermelho . No entanto, também há transições próximas a 946, 1120, 1320 e 1440 nm. Os lasers Nd: YAG operam em modo pulsado e contínuo. Os lasers Nd: YAG pulsados são normalmente operados no chamado modo de comutação Q : Um interruptor óptico é inserido na cavidade do laser esperando por uma inversão máxima da população nos íons de neodímio antes de abrir. Então, a onda de luz pode percorrer a cavidade, despovoando o meio excitado do laser na inversão máxima da população. Neste modo Q-comutado, potências de saída de 250 megawatts e durações de pulso de 10 a 25 nanossegundos foram alcançadas. Os pulsos de alta intensidade podem ser eficientemente duplicados em frequência para gerar luz laser em 532 nm ou harmônicos superiores em 355, 266 e 213 nm.
Nd: YAG absorve principalmente nas bandas entre 730-760 nm e 790-820 nm. Em baixas densidades de corrente , as lâmpadas de criptônio têm maior saída nessas bandas do que as lâmpadas de xenônio mais comuns , que produzem mais luz em cerca de 900 nm. Os primeiros são, portanto, mais eficientes para bombear lasers Nd: YAG.
A quantidade de dopante de neodímio no material varia de acordo com seu uso. Para saída de onda contínua , o doping é significativamente menor do que para lasers pulsados. Os bastonetes CW levemente dopados podem ser opticamente diferenciados por serem menos coloridos, quase brancos, enquanto os bastonetes com dopagem mais alta são rosa-púrpura.
Outros materiais hospedeiros comuns para neodímio são: YLF ( fluoreto de ítrio-lítio , 1047 e 1053 nm), YVO 4 ( ortovanadato de ítrio , 1064 nm) e vidro . Um material hospedeiro particular é escolhido a fim de obter uma combinação desejada de propriedades ópticas, mecânicas e térmicas. Os lasers Nd: YAG e variantes são bombeados por flashtubes , lâmpadas de descarga de gás contínua ou diodos de laser infravermelho próximo ( lasers DPSS ). Os tipos de laser pré-estabilizado (PSL) de lasers Nd: YAG provaram ser particularmente úteis no fornecimento de feixes principais para interferômetros de ondas gravitacionais , como LIGO , VIRGO , GEO600 e TAMA .
Formulários
Medicina
Nd: YAG são utilizados em oftalmologia para corrigir a opacificação da cápsula posterior , depois de catarata cirurgia, para periférica iridotomia em pacientes com crónica e glaucoma de ângulo fechado agudo , onde se substituiu largamente iridectomia cirúrgico , para o tratamento de vítreas flutuadores olho , para panela - fotocoagulação retinal no tratamento da retinopatia diabética proliferativa e para danificar a retina na pesquisa oftalmológica em animais.
Os lasers Nd: YAG que emitem luz a 1064 nm têm sido os mais amplamente usados para termoterapia induzida por laser , na qual lesões benignas ou malignas em vários órgãos são ablacionadas pelo feixe.
Em oncologia , os lasers Nd: YAG podem ser usados para remover cânceres de pele . Eles também são usados para reduzir nódulos tireoidianos benignos e para destruir lesões hepáticas malignas primárias e secundárias.
Para tratar a hiperplasia prostática benigna (BPH), os lasers Nd: YAG podem ser usados para cirurgia de próstata a laser - uma forma de ressecção transuretral da próstata .
Esses lasers também são amplamente usados no campo da medicina cosmética para a remoção de pêlos a laser e no tratamento de pequenos defeitos vasculares , como veias da aranha no rosto e nas pernas. Os lasers Nd: YAG também são usados para tratar lesões nos lábios do Lago Venoso. Recentemente, os lasers Nd: YAG têm sido usados para tratar a dissecção da celulite do couro cabeludo , uma doença de pele rara.
Usando a histeroscopia, o laser Nd: YAG foi usado para a remoção de septos uterinos dentro do útero.
Em podologia , o laser Nd: YAG está sendo usado para tratar onicomicose , que é uma infecção fúngica da unha do pé. Os méritos do tratamento a laser para essas infecções ainda não estão claros e pesquisas estão sendo feitas para estabelecer a eficácia.
Odontologia
Os lasers dentais Nd: YAG têm sido usados para a remoção de portadores dentários como uma alternativa à terapia de perfuração, embora as evidências que apóiam seu uso sejam de baixa qualidade. Eles também têm sido usados para cirurgias de tecidos moles na cavidade oral , como gengivectomia , desbridamento sulcular periodontal , LANAP e pulpotomia . Os lasers dentais Nd: YAG também demonstraram ser eficazes no tratamento e prevenção da hipersensibilidade dentária, como um adjunto para a instrumentação periodontal e para o tratamento da estomatite aftosa recorrente .
Manufatura
Os lasers Nd: YAG são usados na fabricação para gravar, gravar ou marcar uma variedade de metais e plásticos, ou para processos de aprimoramento de superfície de metal, como peening a laser . Eles são amplamente utilizados na fabricação de aço para corte e soldagem, semicondutores e várias ligas. Para aplicações automotivas (corte e soldagem de aço), os níveis de potência são normalmente de 1–5 kW. A perfuração de superligas (para peças de turbinas a gás) normalmente usa lasers Nd: YAG pulsados (pulsos de milissegundos, não comutados Q). Os lasers Nd: YAG também são empregados para fazer marcações abaixo da superfície em materiais transparentes, como vidro ou acrílico . Lasers de até 2 kW são usados para a fusão seletiva de metais a laser na manufatura aditiva em camadas. Em aplicações aeroespaciais, eles podem ser usados para perfurar orifícios de resfriamento para aumentar a eficiência do fluxo de ar / exaustão de calor.
Os lasers Nd: YAG também são usados no processo de prototipagem rápida não convencional modelagem de rede a laser (LENS).
O peening a laser normalmente usa sistemas de laser flash de alta energia (10 a 40 Joule), pulso de 10 a 30 nanossegundos para gerar gigawatts de potência na superfície de uma peça, focalizando o feixe de laser em alguns milímetros de diâmetro. O peening a laser é diferente de outros processos de fabricação, pois não aquece nem adiciona material; é um processo mecânico de trabalho a frio do componente metálico para transmitir tensões residuais compressivas. O peening a laser é amplamente utilizado em motores de turbina a gás tanto na indústria aeroespacial quanto na geração de energia para melhorar a tolerância a danos aos componentes e aumentar a resistência à fadiga.
Dinâmica de fluidos
Os lasers Nd: YAG podem ser usados para técnicas de visualização de fluxo em dinâmica de fluidos (por exemplo , velocimetria de imagem de partícula ou fluorescência induzida por laser ).
Biofísica
Os lasers Nd: YAG são freqüentemente usados para construir pinças ópticas para aplicações biológicas. Isso ocorre porque os lasers Nd: YAG emitem principalmente em um comprimento de onda de 1064 nm. As amostras biológicas têm um baixo coeficiente de absorção neste comprimento de onda, visto que as amostras biológicas geralmente são compostas principalmente de água. Assim, o uso de um laser Nd: YAG minimiza o dano à amostra biológica em estudo.
Automotivo
Pesquisadores do Instituto Nacional de Ciências Naturais do Japão estão desenvolvendo dispositivos de ignição a laser que usam chips YAG para acender o combustível em um motor, no lugar de uma vela de ignição . Os lasers usam vários pulsos de 800 picossegundos para inflamar o combustível, produzindo uma ignição mais rápida e uniforme. Os pesquisadores afirmam que tais dispositivos de ignição podem proporcionar melhor desempenho e economia de combustível, com menos emissões prejudiciais.
Militares
O laser Nd: YAG é o laser mais comum usado em designadores de laser e telêmetros a laser .
Durante a Guerra Irã-Iraque , os soldados iranianos sofreram mais de 4.000 casos de lesões oculares a laser, causadas por uma variedade de fontes iraquianas, incluindo telêmetros de tanques. O comprimento de onda de 1064 nm de Nd: YAG é considerado particularmente perigoso, pois é invisível e a exposição inicial é indolor.
A arma laser cegante chinesa ZM-87 usa um laser desse tipo, embora apenas 22 tenham sido produzidos devido à sua proibição pela Convenção sobre Certas Armas Convencionais . A Coreia do Norte teria usado uma dessas armas contra helicópteros americanos em 2003.
Espectroscopia de anel de cavidade (CRDS)
O Nd: YAG pode ser usado na aplicação de espectroscopia de anel de cavidade , que é usada para medir a concentração de alguma substância absorvente de luz.
Espectroscopia de ruptura induzida por laser (LIBS)
Uma variedade de lasers Nd: YAG são usados na análise de elementos na tabela periódica. Embora a aplicação em si seja relativamente nova com relação aos métodos convencionais, como XRF ou ICP, ela provou ser menos demorada e uma opção mais barata para testar as concentrações do elemento. Um laser Nd: YAG de alta potência é focado na superfície da amostra para produzir plasma . A luz do plasma é capturada por espectrômetros e os espectros característicos de cada elemento podem ser identificados, permitindo que as concentrações dos elementos na amostra sejam medidas.
Bombeamento a laser
Os lasers Nd: YAG, principalmente por meio de seu segundo e terceiro harmônicos, são amplamente usados para excitar lasers de corante no estado líquido ou sólido . Eles também são usados como fontes de bomba para lasers de estado sólido ampliados vibronicamente, como Cr 4+ : YAG ou via segundo harmônico para bombear lasers de Ti: safira .
Frequências adicionais
Para muitas aplicações, a luz infravermelha tem frequência duplicada ou triplicada usando materiais ópticos não lineares , como triborato de lítio, para obter luz visível (532 nm, verde) ou ultravioleta . O borato de césio e lítio gera o 4º e o 5º harmônicos do comprimento de onda fundamental Nd: YAG 1064 nm. Um apontador laser verde é um laser de estado sólido bombeado por diodo Nd: YVO 4 ( laser DPSS ) de freqüência dupla . Nd: YAG também pode ser feito para lase em seu comprimento de onda não principal. A linha em 946 nm é normalmente empregada em lasers DPSS de "ponteiro laser azul", onde é duplicada para 473 nm.
Propriedades físicas e químicas de Nd: YAG
Propriedades do cristal YAG
- Fórmula: Y 3 Al 5 O 12
- Peso molecular: 596,7
- Estrutura cristalina: cúbica
- Dureza: 8–8,5 (Mohs)
- Ponto de fusão: 1970 ° C (3540 ° F)
- Densidade: 4,55 g / cm 3
Índice de refração de Nd: YAG
| Comprimento de onda (μm) | Índice n (25 ° C) |
|---|---|
| 0,8 | 1,8245 |
| 0.9 | 1.8222 |
| 1.0 | 1.8197 |
| 1,2 | 1.8152 |
| 1,4 | 1.8121 |
| 1,5 | 1.8121 |
Propriedades de Nd: YAG @ 25 ° C (com 1% de dopagem Nd)
- Fórmula: Y 2,97 Nd 0,03 Al 5 O 12
- Peso do Nd: 0,725%
- Átomos de Nd por unidade de volume: 1,38 × 10 20 / cm 3
- Estado de carga de Nd: 3 +
- Comprimento de onda de emissão: 1064 nm
- Transição: 4 F 3/2 → 4 I 11/2
- Duração da fluorescência: 230 μs
- Condutividade térmica: 0,14 W · cm −1 · K −1
- Capacidade de calor específico: 0,59 J · g −1 · K −1
- Expansão térmica: 6,9 × 10 −6 K −1
- d n / d T : 7,3 × 10 −6 K −1
- Módulo de Young: 3,17 × 10 4 K · g / mm −2
- Coeficiente de Poisson: 0,25
- Resistência ao choque térmico: 790 W · m −1
Referências e notas
- Siegman, Anthony E. (1986). Lasers . Livros de Ciências da Universidade. ISBN 978-0-935702-11-8.
- Koechner, Walter (1988). Solid-State Laser Engineering (2ª ed.). Springer-Verlag. ISBN 978-3-540-18747-9.