Nd:YAG LASER
Nd:YAG (neodymium doped yttrium aluminium garmet; Nd: Y3Al5O12) là một trong những chất chất rắn được dùng làm môi trường hoạt chất laser. Ion neodymium Nd(III) là tạp chất trong yttrium aluminium garmet với nồng độ khoảng 1% do 2 phân tử này có kích thước phân tử giống nhau. Loại laser này tạo ra tia sáng gần giống với tia sáng từ laser ruby.
Laser Nd: YAG lần đầu tiên được phát hiện bởi J.E.Geusic và các đồng sự tại Bell Laboratories vào năm 1964.
CÔNG NGHỆ
Laser Nd: YAG được phát ra từ một chiếc bơm quang học sử dụng ống flash hoặc diode laser. Đây là một trong những loại phổ biến của laser và được sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau. Laser Nd: YAG thường phát ra ánh sáng có bước sóng 1064nm trong vùng hồng ngoại. Tuy nhiên, cũng có những vùng chuyển tiếp như 940, 1120, 1320 và 1440 nm. Nd: YAG hoạt động ở cả 2 chế độ là xung đơn và liên tục. Xung laser Nd: YAG được gọi đặc trưng với tên Q-switch: là một loại chuyển xung bằng cách ngưng tụ số tia đủ trước khi mở. Các tia laser sẽ phóng ra đến khi mức năng lượng thấp xuống, tiếp tục cho một sự ngưng tụ tiếp theo. Trong trường hợp này, năng lượng xung vào khoảng 250 MG và khoảng cách của các xung vào khoảng từ 10-25 nano giây. Có thể tăng gấp đôi tần số để tạo nên các xung có cường độ cao hơn với bước sóng 532nm hoặc cao hơn nữa tại 355, 266 và 213nm.
Laser Nd: YAG hấp phụ chủ yếu ở các khoảng 730-760nm và 790-820nm. Đối với các đèn krypton bước sóng được tạo ra cao hơn ở đèn xenon bình thường, có bước sóng rơi vào khoảng 900nm. Do đó, loại đèn này phù hợp với các bơm laser Nd: YAG hơn.
Hàm lượng chất neodymium trong các loại vật liệu khác nhau ảnh hưởng đến khả năng sử dụng của chúng. Đối với hệ thống xung liên tục, hàm lượng thấp hơn nhiều so với xung đơn. Ngoài ra hàm lượng đó còn ảnh hưởng đến màu sắc của tia. Hàm lượng thấp thường màu sẽ sáng, thường là màu trắng, hàm lượng càng cao, màu tia sẽ ngả về màu hồng.
Một số nguyên liệu khác cung cấp neodymium như YLE (yttrium lithium fluoride), YVO4 (yttrium orthovanadate, 1064nm), và thủy tinh. Một nguyên liệu được lựa chọn dựa trên sự kết hợp giữa nhiều yếu tố như quang học, cơ học và tính chất nhiệt học. Laser Nd:YAG và các biến thể được bơm bởi ống flash, đèn phóng khí liên tục hoặc diode laser. Một loại biến thể của laser Nd:YAG là laser prestabilized được chứng minh là có ích trong việc cung cấp những hình ảnh về giao thoa sóng như LIGO, VIRGO, GEO600 và TAMA.
ỨNG DỤNG
Trong Y học được dùng trong nhãn khoa để điều trị tình trạng đục bao sau khi mổ đục thủy tinh thể ngoài bao và mở mống mắt đối với những bệnh nhân bị tăng glaucom. Dạng laser Nd:YAG có tần số nhân đôi (bước sóng 532nm) được sử dụng cho các bệnh nhân bệnh tiểu đường biến chứng lên võng mạc. Trong một số trường hợp khác, loại laser này được dùng đẻ điều trị bệnh ruồi bay trước mắt.
Laser Nd:YAG ở bước sóng 1064nm được sử dụng rộng rãi trong những liệu pháp sử dụng nhiệt, trong đó có những trường hợp u ác tính hoặc lành tính có thể được cắt bởi chùm tia này.
Trong ung thư, laser Nd:YAG có thể sử dụng để loại bỏ ung thư da. Chúng cũng được dùng để làm giảm tình trạng cường giáp lành tính và tình trạng phá hủy tế bào da cấp một và hai.
Laser Nd:YAG có thể được dùng để điều trị tăng sản tuyến tiền liệt bằng cách thông niệu đạo.
Laser Nd:YAG cũng được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực y học thẩm mỹ để triệt lông và điều trị tình trạng lộ mạch máu dưới da trên mặt và chân. Gần đây loại laser này cũng được dùng để phân tích bệnh viêm mô tế bào – một loại bệnh về da hiếm gặp, thường xuất hiện trên da đầu. Trong chuyên ngành sản phụ khoa, laser Nd: YAG còn được dùng để loại bỏ các vách tử cung bên trong tử cung.
Đối với các bệnh ở bàn chân, tia Nd: YAG đang được sử dụng để điều trị nấm móng, các hiệu quả của loại laser này trong điều trị các bệnh nhiễm trùng vẫn chưa rõ ràng và đang được nghiên cứu để xem xét lại.
Sản xuất
Laser Nd:YAG được sử dụng trong các ngành sản xuất để điêu khắc hoặc đánh dấu lên một loạt các kim loại và nhựa hoặc trong quá trình tăng cường bề mặt kim loại như laser peening. Chúng cũng được sử dụng trong việc cắt và hàn các loại thép, chất bán dẫn và hợp kim khác nhau. Đối với các ứng dụng tự động, các vết cắt, hàn có mức công suất thường là 1-5 kW. Đối với các siêu hợp kim khoan (cho các bộ phận tuabin khí) thường sử dụng laser Nd:YAG dạng xung (không phải dạng Q-switched). Laser Nd:YAG cũng đưuọc sử dụng trong việc làm dấu hiệu bên dưới của các vật liệu trong suốt như kính hoặc kính acrylic. Laser với công suất cao hơn 2 kW có thể được dùng để sản xuất trong ngành hàng không, chúng có thể được sử dụng để khoan lỗ làm mắt cho hiệu quả xả tăng cường lưu lượng không khí.
Laser Nd:YAG cũng được sử dụng trong quá trình tạo mẫu thiết kế nhanh.
Laser peening thường được sử dụng ở mức năng lượng cao (10-40J), các xung khoảng từ 10-30 nano giây, ánh sáng laser có thề tạo nên năng lượng lên đến gigawatt trên bề mặt bằng cách tập trung các chùm tia laser xuống một vài mm đường kính. Laser peening khác với các quy trình khác ở chỗ nó không nóng hoặc không gây tăng thêm nguyên liệu. Laser peening được sử dụng rộng rãi trong khí đốt động cơ tua bin trong cả không gian vũ trụ.
Động lực học chất lỏng
Laser Nd:YAG cũng có thể được sử dụng trong kỹ thuật lưu lượng trực quan trong động lực học chất lỏng (ví dụ về hình ảnh của các phân tử hạt velocimetry hoặc laser huỳnh quang)
Nha khoa
Laser Nd:YAG được sử dụng cho việc phẫu thuật mô mềm trong khoang miệng như lợi, mở viền lợi, LANAP, cắt hàm, sinh thiết và đông cầm máu.
Quân sự
Laser Nd:YAG được sử dụng chủ yếu trong định vị và ống nhòm.
ZM-87 của Trung Quốc là loại súng sử dụng loại laser này, tuy nhiên chỉ có 22 cái được sản xuất, sau đó chúng đã bị cấm do vi phạm công ước về các loại vũ khí thông thường.
TÍNH CHẤT VẬT LÝ VÀ HÓA HỌC CỦA LASER Nd:YAG
Tính chất của tinh thể YAG
Công thức: Y3Al5O12
Trọng lượng phân tử: 596,7
Cấu trúc tinh thể: Cubic
Độ cứng: 8-8,5 (Moh)
Điểm nóng chảy: 1950 ° C (3540 ° F)
Mật độ: 4.55 g / cm3
Chỉ số khúc xạ của Nd:YAG
| Bước sóng | Chỉ số n (25oC) |
| 0.8 | 1.8245 |
| 0.9 | 1.8222 |
| 1.0 | 1.8197 |
| 1.2 | 1.8152 |
| 1.4 | 1.8121 |
| 1.5 | 1.8121 |
Tính chất của Nd:YAG ở 25oC (với 1% tạp Nd)
Công thức: Y2.97Nd0.03Al5O12
Trọng lượng của Nd: 0.725%
Các nguyên tử của Nd trên một đơn vị khối lượng: 1.38 x 1020/cm3
Hóa trị: 3+
Bước sóng: 1064nm
Mức chuyển năng lượng: 4F 3/2 à 4L 11/2
Thời gian phát quang: 230ms
Độ dẫn nhiệt: 0.14 W.cm-1K-1
Nhiệt dung riêng: 0.59 J.g-1K-1
Giãn nở nhiệt: 6.9×10-6 K-1
dn/dT: 7.3×10-6 K-1
Công suất: 3.17×104 K.g/mm-2
Hệ số Poisson: 0.25
Khả năng chống sốc nhiệt: 790 W.m-1
