لیزرهای YAG

تعریف: لیزرهایی که بر پایه کریستال YAG(گارنت آلومینیوم ایتریوم) هستند و آن‌ها را به‌عنوان یاگ می‌شناسیم ، این کریستال‌ها معمولا با عناصر نئودیمیم(Nd:YAG )و ایتربیوم(Yb:YAG) آلاییده هستند.

اصطلاح لیزر یاگ معمولاً برای لیزرهای حالت جامد مبتنی بر یاگ آلائیده شده با نئودیمیم (Nd: YAG ، به‌طور دقیق تر ) به‌کار برده می‌شود، البته بلورهای یاگ با عناصر خاکی‌ کمیاب مثل ایتربیوم، اربیوم، تولیوم یا هولمیوم نیز آلائیده می‌شوند. همان‌طور که گفته شد، YAG مخفف گارنت آلومینیوم ایتریوم (Y3Al5O12) است. این ماده بلوری مصنوعی در دهه 1960 به شکل بلورهای لیزری رواج پیدا کرد. یون‌های ایتریوم موجود در یاگ را می‌توان با یون‌های خاکی کمیاب فعال لیزری بدون تأثیر جدی بر ساختار شبکه جایگزین کرد، زیرا این یون‌ها اندازه مشابهی دارند.

کریستال یاگ یک محیط میزبان با خواص مطلوب، به ویژه برای لیزرهای با قدرت بالا و لیزرهای Q-switched که در 1064 نانومتر گسیل می‌شوند، است.

لیزرهای یاگ در بسیاری از موارد از نوع لیزرهای حجم دار[1]، ساخته شده از عناصر اپتیکی مجزا هستند. با این حال، لیزرهای یاگ یکپارچه مانند لیزرهای ریز تراشه[2] و نوسانگرهای حلقه‌ای غیر دو وجهی[3] نیز وجود دارد.

رایج‌ترین گزینه‌ها برای Nd: YAG در میان محیط بهره نئودیمیم آلاییده شده[4]، Nd: YVO4 و Nd: YLF هستند. امروزه لیزرهای Nd: YAG نیز  با لیزرهای Yb: YAG رقابت می‌کنند.

خصوصیات Nd: YAG

 یک محیط بهره چهار ترازی[5] است (به استثنای انتقال 946 نانومتری که در زیر توضیح داده شده است). این محیط، بهره زیادی از لیزر حتی برای سطح برانگیختگی متوسط و شدت پمپ را ارائه می‌دهد. پهنای باند بهره نسبتاً کم است، اما این امکان را برای بازدهی بیشتر و در نتیجه کم شدن توان پمپ آستانه فراهم می‌کند.

لیزرهای Nd: YAG می‌توانند از طریق دیود[6] یا لامپ[7] پمپ شوند. پمپاژ با لامپ به دلیل وجود جذب پمپ پهن باند، به طور عمده در منطقه 800 نانومتری و با ویژگی‌های چهار ترازی امکان‌پذیر است.

متداول‌ترین طول موج گسیل Nd: YAG  ،طول موج1064نانومتر است. وقتی با این طول موج شروع می‌کنیم، خروجی های 532 ، 355 و 266 نانومتر می‌توانند به ترتیب با دو برابر شدن فرکانس، سه برابر شدن فرکانس و چهار برابر شدن فرکانس، تولید شوند. سایر خطوط گسیلی در 946 ، 1123، 1319، 1338، 1415 و 1444 نانومتر است. هنگامی که از Nd: YAG در انتقال 946 نانومتری استفاده می‌شود، یک محیط بهره شبه سه ترازی ایجاد می‌شود و به پمپاژی با شدت بیشتر نیاز دارد. بقیه انتقال‌ها، همگی انتقال‌های چهار ترازی هستند. اما در برخی موارد، که در زیر توضیح داده شده است، مثلا در طول موج 1123 نانومتر، بسیار ضعیف هستند، به طوری که لیزر بازدهی کاملی در این طول موج‌ها ندارد:

• حتی یک بهره متوسط، به چگالی برانگیختگی زیادی نیاز دارد، که اثرات فروافت[8] مضر را پشتیبانی کند.
• علاوه بر این در لیز دادن در 1064 نانومتر، طول موجی که بهره بسیار بالاتری دارد، باید مثلا با استفاده از آینه‌های دایکرویک[9] مناسب ساخت تشدیدگر لیزر، بسته شود.

 

شکل 1:ساختار سطح انرژی و انتقال مشترک پمپاژ و لیزر یون نئودیمیم سه ظرفیتی در  Nd³⁺¹:YAG

با این حال، با بهینه سازی دقیق، حتی در این انتقال ضعیف نیز می‌توان توان خروجی قابل توجهی به دست آورد.

Nd: YAG معمولاً به شکل تک‌کریستالی استفاده می‌شود که با روش رشد Czochralski ساخته می‌‌شود، اما Nd: YAG سرامیکی (چندکریستالی) با کیفیت بالا و در اندازه‌های بزرگ نیز موجود است. برای هر دو نوع  Nd: YAG ، تک‌کریستالی و سرامیک، تلفات جذب و پراکندگی در طول یک کریستال لیزر حتی برای کریستال های نسبتاً بلند به‌طور معمول قابل اغماض است.

غلظت‌های معمول  نئودیمیم آلاییده از درجه 1 ٪ است. غلظت بالای آلایش می‌تواند مفید باشد به‌عنوان مثال طول جذب پمپاژ را کاهش می‌دهد، اما غلظت بیش از حد، منجر به فروافت طول عمر حالت فوقانی از طریق فرایندهای upconversion[10] می‌شود. همچنین، چگالی توان نلف شده می‌تواند کاربرد بسیار زیادی در لیزرهای پرتوان داشته باشد. توجه داشته باشید که چگالی نئودیمیم آلاییده لزوماً نباید در همه قسمت ها یکسان باشد. بلورهای لیزری کامپوزیتی، با قطعات آلاییده شده،  قطعات آلاییده نشده یا با قطعاتی دارای چگالی آلایش مختلف، وجود دارند.

 

ویژگی	مقدار
فرمول شیمیایی	Y3AL5O12
ساختار بلور	مکعبی
چگالی جرمی	4/56g/cm
سختی موس	8-8/5
مدول یانگ	280GPa
استقامت کششی	200MPa
نقطه ذوب	1970oC
رسانایی گرمایی	10-14W/(mk)
ضریب انبساط حرارتی	7-8*10-6/K
پارامتر مقاومت در برابر شوک حرارتی	790W/m
شکست دوگانه	ندارد(فقط ناشی از حرارت)
ضریب شکست در 1064 نانومتر	1/82
وابستگی به دما از ضریب شکست	7-8*10-6/K

جدول 1:برخی از خصوصیات یاگ  گارنت آلومینیوم اتریم، که برای یاگ با آلاینده‌های، Nd- یا  Yb مشابه هستند.

 

ویژگی	مقدار
چگالیNd برای 1درصد آلاییدگی	1/37*1020 Cm-3
عمر فلورسانس	230µs
سطح مقطع جذب در 808 نانومتر	7/7*10-2Cm2
سطح مقطع گسیل در 946 نانومتر	5*10-2Cm2
سطح مقطع گسیل در 1064 نانومتر	28*10-2Cm2
سطح مقطع گسیل در 1319 نانومتر	9/5*10-2Cm2
سطح مقطع گسیل در 1338 نانومتر	10*10-2Cm2
پهنای باند بهره	0/6nm

جدول 2:برخی از خصوصیات Nd: YAG  گارنت آلومینیوم ایتریوم دوپ شده با نئودیمیم.

 

 

ویژگی	مقدار
چگالیYb برای 1درصد آلاییدگی	1/38*1020CM-3
طول عمر فلورسانس	950µs
سطح مقطع جذب در 940 نانومتر	0/75*10-20Cm2
سطح مقطع گسیل در 1030 نانومتر	2/2*10-20Cm2
سطح مقطع جذب در 1030 نانومتر	0/12*10-20Cm2
سطح مقطع گسیل در 1050 نانومتر	0/3*10-20Cm2
سطح مقطع جذب در 1050 نانومتر	0/01*10-20Cm2
پهنای باند بهره	15nm

جدول 3:برخی از خواص Yb: YAG گارنت آلومینیوم ایتریوم آلاییده شده.

سایر آلاینده‌های فعال لیزر در YAG

علاوه بر Nd: YAG، چندین محیط بهره YAG با دیگر آلاینده‌های فعال لیزری وجود دارد:

• ایتربیوم: لیزرهای Yb:YAG به‌طور معمول در 1030 نانومتر (قوی‌ترین خط) یا 1050 نانومتر گسیل می‌کند. این ماده اغلب در لیزرهای دیسک نازک قدرتمند و کارآمد استفاده می‌شود.
• اربیوم: لیزرهایEr:YAG، که اغلب با لامپ پمپ می‌شوند، می‌توانند در 94/2 میکرومتر گسیل شوند و برای مثال در دندانپزشکی و برای لایه‌برداری پوست استفاده می‌شوند. Er: YAG همچنین می‌تواند در 1645 نانومتر و 1617 نانومتر گسیل کند.
• تولیوم :لیزرهای YAG Tm:در طول موج‌های حدود 2 میکرومتر، با قابلیت تنظیم طول موج در محدوده عرض100 نانومتر، گسیل می‌شوند.
• هولمیوم :YAG Ho: طول موج‌های طولانی‌تر و در حدود 1/2 میکرومتر گسیل می‌کند. لیزر Q-switched Ho:YAG برای پمپاژ [11]OPO های فروسرخ متوسط کاربرد دارد. همچنین کریستال‌های لیزر آلاییده هولمیوم همراه با سایر آلاینده‌ها مثل Ho:Cr:Tm:YAG نیز وجود دارند.
• کرومیوم::YAG Cr⁺⁴ در حدود 55/1-35/1 میکرومتر گسیل دارد و اغلب با لیزرهای Nd: YAG در 1064 نانومتر پمپ می‌شوند. پهنای باند انتشار گسترده، آن‌ها را برای تولید پالس‌های فوق‌کوتاه مناسب می‌کند. توجه داشته باشید که :YAG Cr⁺⁴ به‌طور گسترده، به عنوان ماده جاذب اشباع[12] برای لیزرهای Q-switched در ناحیه 1 میکرومتر مورد استفاده قرار می‌گیرد.

لیزرهای یاگ آلاییده شده با نئودیمیم یا ایتربیوم در ناحیه 1 میکرومتر همراه با دو برابرکننده‌های فرکانس اغلب اساس لیزرهای سبز هستند، به‌ویژه هنگامی که توان‌های بیشتری نسبت به لیزرهایی که نور سبز را مستقیما تابش گسیل می‌کنند لازم باشد.

 

 

 

 

 

 

 

[1] bulk lasers : لیزرهای ساخته شده مبتنی بر کریستال‌های حجیم به عنوان محیط بهره

[2] microchip lasers: لیزرهای حالت جامد با تنظیمات شبه یکپارچه

[3] nonplanar ring oscillators: نوعی لیزر تک فرکانس یکپارچه، بر اساس یک تشدیدگر حلقه‌ای غیردووجهی

[4]  neodymium-doped gain media: محیط بهره لیزری حاوی یون‌های نئودیمیم فعال لیزر

[5]  four-level gain medium: محیط بهره لیزری بدون یا با جذب مجدد از تراز پایین لیزری

[6]  diode pumped: لیزرهای حالت جامد که با دیود لیزرها پمپ می‌شوند.

[7]  lamp pumped: لیزرهایی که با لامپ‌های فلش یا قوس الکتریکی یا در موارد نادر با لامپ های هالوژن تنگستن پمپ می‌شوند.

[8] quenching: کاهش یا محدودیت جمعیت حالت برانگیخته که عمدتا توسط اثرات ناخواسته صورت می‌گیرد.

[9] dichroic mirrors: آینه‌هایی که دارای خواص بازتابی و عبوری کاملا متفاوت در دو طول موج هستند.

[10]  upconversion: فرایندی که در آن می‌توان نور را با انرژی فوتونی بالاتر از نور تولید کننده برانگیختگی ساطع کرد.

[11]  OPOs: منابع همدوس نوری مبتنی بر تقویت پارامتریک در یک تشدیدگر اپتیکی

[12]  saturable absorber: جاذب‌های نوری با درجه‌ای از جذب که در شدت‌های زیاد اپتیکی، کاهش پیدا می‌کنند.