Кристалл, используемый в качестве лазерной среды для твердотельных лазеров
Nd:YAG ( легированный неодимом иттрий-алюминиевый гранат ; Nd:Y 3 Al 5 O 12 ) — это кристалл , который используется в качестве лазерной среды для твердотельных лазеров . Легирующая примесь , неодим в степени окисления +3, Nd(III), обычно заменяет небольшую часть (1%) ионов иттрия в кристаллической структуре хозяина иттрий-алюминиевого граната (YAG), поскольку оба иона имеют схожий размер. [1] Именно ион неодима обеспечивает лазерную активность в кристалле, таким же образом, как и красный ион хрома в рубиновых лазерах . [1]
Работа лазера Nd:YAG была впервые продемонстрирована Дж. Э. Гейсиком и др. в Bell Laboratories в 1964 году. [2]
Технологии
Лазеры Nd: YAG оптически накачиваются с помощью импульсной трубки или лазерных диодов . Это один из наиболее распространенных типов лазеров, и они используются для множества различных применений. Лазеры Nd:YAG обычно излучают свет с длиной волны 1064 нм в инфракрасном диапазоне . [3] Однако существуют также переходы вблизи 946, 1120, 1320 и 1440 нм. Лазеры Nd:YAG работают как в импульсном , так и в непрерывном режиме. Импульсные лазеры Nd:YAG обычно работают в так называемом режиме модуляции добротности : оптический переключатель вставляется в лазерную полость, ожидая максимальной инверсии населенности в ионах неодима, прежде чем он откроется. Затем световая волна может проходить через полость, опустошая возбужденную лазерную среду при максимальной инверсии населенности. В этом режиме модуляции добротности были достигнуты выходные мощности 250 мегаватт и длительность импульса от 10 до 25 наносекунд. [4] Высокоинтенсивные импульсы могут быть эффективно удвоены по частоте для генерации лазерного света на длине волны 532 нм или более высоких гармоник на длинах волн 355, 266 и 213 нм.
Nd:YAG поглощает в основном в диапазонах между 730–760 нм и 790–820 нм. [3] При низких плотностях тока криптоновые лампы-вспышки имеют более высокую выходную мощность в этих диапазонах, чем более распространенные ксеноновые лампы, которые производят больше света около 900 нм. Поэтому первые более эффективны для накачки лазеров Nd:YAG. [5]
Количество неодимовой примеси в материале варьируется в зависимости от его использования. Для непрерывного выхода волны легирование значительно ниже, чем для импульсных лазеров. Слаболегированные стержни CW можно оптически отличить по менее окрашенным, почти белым, в то время как более легированные стержни имеют розово-фиолетовый оттенок. [ необходима цитата ]
Лазеры Nd:YAG, излучающие свет с длиной волны 1064 нм, являются наиболее широко используемыми лазерами для лазерной термотерапии , при которой доброкачественные или злокачественные новообразования в различных органах удаляются лучом.
В онкологии лазеры Nd:YAG могут использоваться для удаления рака кожи . [13] Они также используются для уменьшения доброкачественных узлов щитовидной железы, [14] и для разрушения первичных и вторичных злокачественных поражений печени. [15] [16]
В подологии лазер Nd:YAG используется для лечения онихомикоза , грибковой инфекции ногтей на ногах. [22] Преимущества лазерного лечения этих инфекций пока не ясны, и проводятся исследования для установления эффективности. [23] [24]
Стоматология
Стоматологические лазеры Nd:YAG использовались для удаления кариеса зубов в качестве альтернативы терапии с помощью сверла, хотя доказательства, подтверждающие его использование, некачественные. [25] Они также использовались для операций на мягких тканях в полости рта , таких как гингивэктомия , [26] [27] обработка десневой борозды пародонта, [28] LANAP , [29] и пульпотомия . [30] Стоматологические лазеры Nd:YAG также показали свою эффективность при лечении и профилактике гиперчувствительности зубов, [31] в качестве дополнения к пародонтальной инструментации, [32] и для лечения рецидивирующего афтозного стоматита . [33]
Производство
Лазеры Nd:YAG используются в производстве для гравировки, травления или маркировки различных металлов и пластиков, или для процессов улучшения поверхности металла, таких как лазерная наклепка . [34] Они широко используются 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. Для сверления суперсплавов (для деталей газовых турбин) обычно используются импульсные лазеры Nd:YAG (миллисекундные импульсы, без модуляции добротности). Лазеры Nd:YAG также используются для нанесения подповерхностной маркировки на прозрачные материалы, такие как стекло или акриловое стекло , а также на белый и прозрачный поликарбонат для удостоверений личности . Лазеры мощностью до 2 кВт используются для селективной лазерной плавки металлов в аддитивном послойном производстве. В аэрокосмической промышленности их можно использовать для сверления отверстий для охлаждения с целью повышения эффективности воздушного потока/выброса тепла. [ требуется ссылка ]
Лазерная наклепка обычно использует импульс высокой энергии (от 10 до 40 джоулей) длительностью от 10 до 30 наносекунд. Лазерный луч фокусируется до нескольких миллиметров в диаметре, чтобы нанести гигаватты мощности на поверхность детали. Лазерная наклепка отличается от других производственных процессов тем, что она не нагревает и не добавляет материал; это механический процесс холодной обработки металлического компонента для придания ему остаточных напряжений сжатия. Лазерная наклепка широко используется в газотурбинных двигателях как в аэрокосмической отрасли, так и в электроэнергетике для повышения прочности и улучшения устойчивости к повреждениям и усталости металла . [35]
Лазеры Nd:YAG часто используются для создания оптических пинцетов для биологических приложений. 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 в основном состоят из воды. [37] Таким образом, использование лазера Nd:YAG сводит к минимуму повреждение изучаемого биологического образца.
Автомобильный
Исследователи из Японских национальных институтов естественных наук разрабатывают лазерные воспламенители, которые используют чипы YAG для воспламенения топлива в двигателе вместо свечи зажигания . [38] [39] Лазеры используют несколько 800 пикосекундных длинных импульсов для воспламенения топлива, обеспечивая более быстрое и равномерное воспламенение. Исследователи говорят, что такие воспламенители могут обеспечить лучшую производительность и экономию топлива с меньшим количеством вредных выбросов.
Во время ирано-иракской войны иранские солдаты пострадали более чем от 4000 случаев лазерного поражения глаз, вызванного различными иракскими источниками, включая танковые дальномеры. Длина волны 1064 нм Nd:YAG считается особенно опасной, так как она невидима, а первоначальное воздействие безболезненно. [40]
Китайское ослепляющее лазерное оружие ZM-87 использует лазер этого типа, хотя было произведено всего 22 экземпляра из-за их запрета Конвенцией о конкретных видах обычного оружия . Сообщается, что Северная Корея использовала одно из таких оружий против американских вертолетов в 2003 году. [41] [42]
Спектроскопия затухания резонатора (CRDS)
Nd:YAG может использоваться в резонаторной кольцевой спектроскопии , которая применяется для измерения концентрации некоторых поглощающих свет веществ. [43]
Ряд лазеров Nd:YAG используется для анализа элементов в периодической таблице. Хотя само по себе это применение является довольно новым по сравнению с обычными методами, такими как XRF или ICP, оно оказалось менее трудоемким и более дешевым вариантом для проверки концентраций элементов. Мощный лазер Nd:YAG фокусируется на поверхности образца для получения плазмы . Свет из плазмы улавливается спектрометрами, и можно идентифицировать характерные спектры каждого элемента, что позволяет измерять концентрации элементов в образце. [ необходима цитата ]
Лазерная накачка
Лазеры Nd:YAG, в основном через их вторую и третью гармоники, широко используются для возбуждения лазеров на красителях как в жидком [44], так и в твердом состоянии . [45] Они также используются в качестве источников накачки для вибронно-уширенных твердотельных лазеров, таких как Cr4 + :YAG , или через вторую гармонику для накачки лазеров Ti:сапфир .
Дополнительные частоты
Для многих приложений частота инфракрасного света удваивается или утраивается с использованием нелинейных оптических материалов, таких как триборат лития, для получения видимого (532 нм, зеленый) или ультрафиолетового света. [46] Борат лития цезия генерирует 4-ю и 5-ю гармоники основной длины волны Nd:YAG 1064 нм. [47] Зеленый лазерный указатель представляет собой твердотельный лазер с диодной накачкой Nd:YVO 4 ( лазер DPSS ) с удвоенной частотой . [48] Nd:YAG также может быть настроен на генерацию на неосновной длине волны. Линия на 946 нм обычно используется в лазерах DPSS типа «голубой лазерный указатель», где она удваивается до 473 нм. [49] [50] [51]
Физические и химические свойства Nd:YAG
Свойства кристалла YAG
Формула : Y3Al5O12
Молекулярный вес: 596,7
Кристаллическая структура: кубическая
Твёрдость: 8–8,5 (по шкале Мооса) [52]
Температура плавления: 1970 °C (3540 °F)
Плотность: 4,55 г/см 3
Показатель преломления Nd:YAG
Свойства Nd:YAG при 25 °C (с 1% легированием Nd)
Формула : Y2,97Nd0,03Al5O12
Масса неодима: 0,725%
Атомы Nd на единицу объема: 1,38×10 20 /см 3
Зарядовое состояние Nd: 3 +
Длина волны излучения: 1064 нм
Переход: 4 Ф 3/2 → 4 И 11/2
Длительность флуоресценции: 230 мкс [52]
Теплопроводность: 0,14 Вт·см −1 ·К −1
Удельная теплоемкость: 0,59 Дж·г −1 ·К −1
Тепловое расширение: 6,9×10−6 К − 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
Устойчивость к тепловому удару: 790 Вт·м −1
Ссылки и примечания
^ ab Koechner §2.3, стр. 48–53.
^ Geusic, JE; Marcos, HM; Van Uitert, LG (1964). "Лазерные колебания в иттрий-алюминиевых, иттрий-галлиевых и гадолиниевых гранатах, легированных nd". Applied Physics Letters . 4 (10): 182. Bibcode : 1964ApPhL...4..182G. doi : 10.1063/1.1753928.
^ Findl, Oliver; Buehl, Wolf; Bauer, Peter; Sycha, Thomas (17.02.2010). «Вмешательства для предотвращения помутнения задней капсулы». База данных систематических обзоров Cochrane (2): CD003738. doi :10.1002/14651858.CD003738.pub3. ISSN 1469-493X. PMC 10658648. PMID 20166069 .
^ Диас-Сантос, Арнальдо; Феррейра, Хоана; Абегао Пинту, Луис; Домингес, Изабель; Сильва, Хосе Педро; Кунья, Жоау-Паулу; Рейна, Мария (апрель 2015 г.). «Факоэмульсификация по сравнению с периферической иридотомией в лечении хронического закрытия первичного угла: долгосрочное наблюдение». Международная офтальмология . 35 (2): 173–178. дои : 10.1007/s10792-014-9926-8. hdl : 10400.17/2093 . ISSN 1573-2630. PMID 24728533. S2CID 14929770.
^ Saunders, DC (сентябрь 1990 г.). «Острая закрытоугольная глаукома и иридотомия лазером Nd-YAG». Британский журнал офтальмологии . 74 (9): 523–525. doi :10.1136/bjo.74.9.523. ISSN 0007-1161. PMC 1042198. PMID 2393642 .
^ Rivera, AH; Brown, RH; Anderson, DR (сентябрь 1985 г.). «Лазерная иридотомия против хирургической иридэктомии. Изменились ли показания?». Архивы офтальмологии . 103 (9): 1350–1354. doi :10.1001/archopht.1985.01050090102042. ISSN 0003-9950. PMID 4038128.
^ Kokavec J, Wu Z, Sherwin JC, Ang AJ, Ang GS (2017). "Nd:YAG лазерный витреолизис против витрэктомии pars plana при плавающих помутнениях стекловидного тела". Cochrane Database Syst Rev. 2017 ( 6): CD011676. doi : 10.1002 /14651858.CD011676.pub2. PMC 6481890. PMID 28570745.
^ Moutray, Tanya; Evans, Jennifer R.; Lois, Noemi; Armstrong, David J.; Peto, Tunde; Azuara-Blanco, Augusto (2018-03-15). "Различные лазеры и методы лечения пролиферативной диабетической ретинопатии". База данных систематических обзоров Cochrane . 2018 (3): CD012314. doi :10.1002/14651858.CD012314.pub2. ISSN 1469-493X. PMC 6494342. PMID 29543992 .
^ Камил Гали, Салли; Фоад Гонейм, Дина; Абделькави Ахмед, Салва; Медхат Абдель-Салам, Ахмед (2013). «Гистологическая оценка сетчатки после фоторазрушения стекловидного тела лазером на иттрий-алюминиевом гранате с модуляцией добротности, легированном неодимом (Nd:YAG)». Журнал лазеров в медицинских науках . 4 (4): 190–198. ISSN 2008-9783. PMC 4282007. PMID 25606329 .
^ Москалик, К; А. Козлов; Е. Демин; Е. Бойко (2009). «Эффективность лечения рака кожи лица с помощью высокоэнергетических импульсных неодимовых и Nd:YAG лазеров». Photomedicine Laser Surgery . 27 (2): 345–49. doi :10.1089/pho.2008.2327. PMID 19382838.
^ Valcavi R, Riganti F, Bertani A, Formisano D, Pacella CM (ноябрь 2010 г.). «Чрескожная лазерная абляция холодных доброкачественных узлов щитовидной железы: 3-летнее последующее исследование у 122 пациентов». Thyroid . 20 (11): 1253–61. doi :10.1089/thy.2010.0189. PMID 20929405.
^ Pacella CM; Francica G; Di Lascio FM; Arienti V; Antico E; Caspani B; Magnolfi F; Megna AS; Pretolani S; Regine R; Sponza M; Stasi R (июнь 2009 г.). «Долгосрочные результаты лечения пациентов с циррозом и ранней гепатоцеллюлярной карциномой с помощью чрескожной лазерной абляции под контролем ультразвука: ретроспективный анализ». Журнал клинической онкологии . 27 (16): 2615–21. doi : 10.1200/JCO.2008.19.0082 . PMID 19332729. S2CID 23374952.
^ Pompili M; Pacella CM; Francica G; Angelico M; Tisone G; Craboledda P; Nicolardi E; Rapaccini GL; Gasbarrini G . (Июнь 2010 г.). «Чрескожная лазерная абляция гепатоцеллюлярной карциномы у пациентов с циррозом печени, ожидающих трансплантацию печени». European Journal of Radiology . 74 (3): e6–e11. doi :10.1016/j.ejrad.2009.03.012. PMID 19345541.
^ Сан, Фэн; Сан, Синьчэн; Ши, Цинлу; Чжай, Юйчжан (декабрь 2018 г.). «Трансуретральные процедуры при лечении доброкачественной гиперплазии предстательной железы: систематический обзор и метаанализ эффективности и осложнений». Медицина . 97 (51): e13360. doi :10.1097/MD.0000000000013360. ISSN 1536-5964. PMC 6320039 . PMID 30572440.
^ Костелло, А. Дж.; Джонсон, Д. Э.; Болтон, Д. М. (1992). «Лазерная абляция простаты Nd:YAG как метод лечения доброкачественной гипертрофии предстательной железы». Лазеры в хирургии и медицине . 12 (2): 121–124. doi :10.1002/lsm.1900120202. ISSN 0196-8092. PMID 1374142. S2CID 39538383.
^ Azevedo, L. H; Galletta, V. C; De Paula Eduardo, C; Migliari, D. A (2010). «Венозное озеро губ, обработанное с помощью фотокоагуляции высокоинтенсивным диодным лазером». Photomedicine and Laser Surgery . 28 (2): 263–265. doi :10.1089/pho.2009.2564. PMC 2957073. PMID 19811083 .
^ Krasner BD; Hamzavi FH; Murakawa GJ; Hamzavi IH (август 2006 г.). «Рассечение целлюлита, леченное длинноимпульсным лазером Nd:YAG». Dermatologic Surgery . 32 (8): 1039–44. doi :10.1111/j.1524-4725.2006.32227.x. PMID 16918566. S2CID 31317584.
^ Yang J, Yin TL, Xu WM, Xia LB, Li AB, Hu J (2006). «Репродуктивный результат перегородчатой матки после гистероскопического лечения неодимовым:YAG-лазером». Photomedicine Laser Surgery . 24 (5): 625. doi :10.1089/pho.2006.24.625. PMID 17069494.
^ Ledon, Jennifer A.; Savas, Jessica; Franca, Katlein; Chacon, Anna; Nouri, Keyvan (2012). «Лазерная и световая терапия онихомикоза: систематический обзор». Lasers in Medical Science . 29 (2): 823–29. doi :10.1007/s10103-012-1232-y. ISSN 0268-8921. PMID 23179307. S2CID 7950300.
^ Мозена, Джон; Хаверсток, Брент (май 2010 г.). «Лазерное лечение онихомикоза: может ли оно быть эффективным?». Podiatry Today . 23 (5): 54–59.
^ Мозена, Джон Д.; Митник, Джошуа П. (октябрь 2009 г.). «Новые концепции лечения онихомикоза». Podiatry Today . 22 (10): 46–51.
^ Монтедори, Алессандро; Абраха, Иосиф; Орсо, Массимилиано; Д'Эррико, Потито Джузеппе; Пагано, Стефано; Ломбардо, Гвидо (2016-09-26). "Лазеры для удаления кариеса молочных и постоянных зубов". База данных систематических обзоров Кокрейна . 2016 (9): CD010229. doi :10.1002/14651858.CD010229.pub2. ISSN 1469-493X. PMC 6457657. PMID 27666123 .
^ Кортес, М. (апрель 1999 г.). «Гингивэктомия с использованием лазера Nd:YAG, отбеливание и фарфоровые ламинаты, часть 2». Dentistry Today . 18 (4): 52–55. ISSN 8750-2186. PMID 10765801.
^ Де Бенедиттис, Мишель; Петруцци, Массимо; Пасторе, Лука; Инчинголо, Франческо; Серпико, Росарио (февраль 2007 г.). «Nd:YAG-лазер для гингивэктомии при синдроме Стерджа-Вебера». Журнал челюстно-лицевой хирургии . 65 (2): 314–316. doi : 10.1016/j.joms.2006.05.011. ISSN 0278-2391. ПМИД 17236940.
^ Дэвид М. Харрис, Роберт Х. Грегг, Делвин К. Маккарти, Ли Э. Колби, Ллойд В. Тилт, «Обработка десневой бороздки импульсным Nd:YAG», Proc. SPIE 4610, Лазеры в стоматологии VIII, (3 июня 2002 г.); doi: 10.1117/12.469328
^ Юкна, Рэймонд А.; Карр, Рональд Л.; Эванс, Джеральд Х. (декабрь 2007 г.). «Гистологическая оценка новой процедуры прикрепления с использованием лазера Nd:YAG у людей». Международный журнал пародонтологии и реставрационной стоматологии . 27 (6): 577–587. ISSN 0198-7569. PMID 18092452.
^ Де Костер, Питер; Раджасекхаран, Сивапракаш; Мартенс, Люк (ноябрь 2013 г.). «Лазерная пульпотомия молочных зубов: систематический обзор». Международный журнал детской стоматологии . 23 (6): 389–399. doi :10.1111/ipd.12014. ISSN 1365-263X. PMID 23171469.
^ Резазаде, Фахимех; Дехганиан, Пария; Джафарпур, Дана (2019). «Влияние лазера на профилактику и лечение гиперчувствительности дентина: систематический обзор». Журнал лазеров в медицинских науках . 10 (1): 1–11. doi :10.15171/jlms.2019.01. ISSN 2008-9783. PMC 6499583. PMID 31360362 .
^ Ронкати, Мариса; Гарифо, Анналиса (апрель 2014 г.). «Систематический обзор дополнительного использования диодных и Nd:YAG-лазеров для нехирургического пародонтального инструментария». Фотомедицина и лазерная хирургия . 32 (4): 186–197. doi :10.1089/pho.2013.3695. ISSN 1557-8550. PMID 24697584.
^ Suter, Valerie GA; Sjölund, Sophia; Bornstein, Michael M. (май 2017 г.). «Влияние лазера на облегчение боли и заживление ран при рецидивирующем афтозном стоматите: систематический обзор». Lasers in Medical Science . 32 (4): 953–963. doi :10.1007/s10103-017-2184-z. ISSN 1435-604X. PMID 28345122. S2CID 3853214.
^ Исследования лазерной обработки пружинной стали для автомобильной промышленности | Ранганатан Кандасами - Academia.edu
^ Палафокс, Гилберт Н.; Уикер, Райан Б.; Элкинс, Кристофер Дж. (2003). «Быстрые эксперименты с физиологическими потоками in-vitro с использованием быстрого прототипирования и велосиметрии изображений частиц» (PDF) . Летняя биоинженерная конференция 2003 г .: 419. Получено 10 октября 2007 г.
^ DJ Stevenson; TK Lake; B. Agate; V. Gárcés-Chávez; K. Dholakia; F. Gunn-Moore (2006-10-16). "Оптически управляемый рост нейронов на длинах волн ближнего инфракрасного диапазона". Optics Express . 14 (21): 9786–93. Bibcode : 2006OExpr..14.9786S . doi : 10.1364/OE.14.009786. PMC 2869025. PMID 19529370.
^ Коксворт, Бен (21 апреля 2011 г.). «Лазерные воспламенители могут положить конец скромным свечам зажигания». Gizmag . Получено 30 марта 2012 г.
^ Павел, Николае и др. (2011). «Композитный, полностью керамический, высокопиковой мощности монолитный микролазер Nd:YAG/Cr4+:YAG с многолучевым выходом для зажигания двигателя». Optics Express . 19 (10): 9378–84. Bibcode : 2011OExpr..19.9378P. doi : 10.1364/OE.19.009378 . PMID 21643194.
^ «Противопехотные лазеры — специальное оружие Ирака».
^ Фишер, Франклин (14.05.2003). «США заявили, что вертолеты Apache были атакованы лазерным оружием вблизи корейской демилитаризованной зоны». Stars and Stripes . Получено 20.12.2016 .
^ Листер, Тим. "Военные силы Северной Кореи стареют, но становятся значительными". CNN. Архивировано из оригинала 2010-11-26 . Получено 24 декабря 2010 .
^ "Cavity Ring Down Spectroscopy (CRDS): Атмосферная химия: Группа HIRAC". hirac.leeds.ac.uk . Получено 04.01.2023 .
^ Ф.П. Шефер (ред.), Лазеры на красителях (Springer-Verlag, Берлин, 1990).