Nd:YAG-laser - terminologie en functionaliteit

Een Nd:YAG-laser is een solid-state laser waarvan de hoofdemissielijn nabij infrarood is bij 1064nm. Het gastheer-kristal is yttrium-aluminiumgranaat. Meestal worden 0,5% - 3% van de yttriumatomen vervangen door neodymium ("doping"). Dit type laser werd ontwikkeld in 1964 in Bell Laboratories. Naast CO2- en vezellasers is het een van de meest gebruikte typen lasers voor industriële materiaalverwerking.

Voor lasers met een gemiddeld uitgangsvermogen tot ongeveer 100 watt vindt de excitatie plaats via diodelasers met een golflengte van 808 nm (diode-aangedreven laser). De neodymiumatomen worden elektronisch aangeslagen, d.w.z. hun elektronen bereiken het hogere energieniveau door absorptie van het pomplamplicht. De energie die in de aangeslagen atomen is opgeslagen, komt weer vrij door gestimuleerde emissie.

Bij de realisatie van een vast lichaam als lasermedium is meestal de grootste technologische uitdaging: Dit vaste-stoflichaam moet zeer zuiver zijn, maar selectief gedoteerd en in het beste geval monokristallijn. Het moet ook geleverde energie met de hoogst mogelijke efficiëntie implementeren, waardoor het warmteverlies tot een minimum wordt beperkt. Een solid-state laser kan worden vernietigd door zijn eigen winst bij een hoog pompvermogen. Daarom moet het lasermedium bestand zijn tegen de hoogst mogelijke energiedichtheid.

De notatie Nd:YAG betekent dat in een yttrium-aluminiumgranaatkristal (chemisch: Y3Al5O12) de yttriumionen (chemisch symbool: Y) zijn vervangen door neodymium (chemisch symbool: Nd). Bij de Nd:YAG-laser ligt de doping (vervangingsgraad) tussen 0,5% - 3%. Hoe hoger de dopinggraad, hoe hoger het laservermogen, maar hoe lager de straalkwaliteit. Dit conflict van doelstellingen geldt voor alle lasers.

De energie wordt optisch geleverd, d.w.z. het Nd:YAG-kristal wordt verlicht. De neodymium-ionen (Nd3+) worden elektronisch opgewekt. Krypton-booglampen, halogeenlampen, xenon-flitslampen, lichtdioden of laserdioden worden als pompbron gebruikt.

Kortom, het zijn geschikte lichtgevende diodes waarvan de interfaces gespiegeld zijn zodat ze een resonator vormen. Laserdioden zijn dus elektrisch gepompte en extreem compacte halfgeleiderlasers (dit zijn een subgroep van de vastestoflasers). Het hoge rendement van de diodes zelf (voortaan aangeduid met LED's en laserdiodes), de precieze regelbaarheid en de veel langere levensduur in vergelijking met lampen, hebben de populariteit van de Nd:YAG-laser sterk verhoogd, waardoor de eerder gebruikte lamppompbronnen, in ieder geval in het lagere vermogensbereik, vervangen worden.

De optische efficiëntie geeft de verhouding tussen het uitgestraalde laservermogen en het geleverde lichtvermogen aan. Terwijl dit slechts ongeveer 2-4% is voor lampgepompt YAG-lasers, bereiken diode-gepompt systemen een optisch rendement tussen 30-50%. Het lagere warmteverlies van de diode-aangedreven systemen verhoogt de levensduur van het kristal en vermindert de koelinspanning. Bovendien maken ze hogere herhalingsfrequenties (aantal pulsen per seconde) in de pulsmodus (bijv. Q-switch) en pulspiekvermogens mogelijk.

Nieuwere schijfvormige resonatorgeometrieën ("schijflasers" en "plaatlasers") vervangen steeds vaker "conventionele" cilindrische Nd:YAG-staven ("laserstaven"), waarbij de diameter van de cilinder veel kleiner is dan de lengte. Daarom hebben deze staven een veel kleiner oppervlak dan een schijf (d.w.z. dat de diameter veel groter is dan de dikte) met een gelijk volume. Cilindrische resonatorstaven zijn daarom veel moeilijker te koelen. Omdat de warmte veel efficiënter kan worden afgevoerd met schijflasers dan met staaflasers, zijn ook hogere pompvermogens mogelijk, die uiteindelijk leiden tot hogere laservermogens. Momenteel zijn Nd:YAG-lasers met een continu uitgangsvermogen van meer dan 10 kW in industrieel gebruik.

De golflengte van de Nd:YAG-laser is bijna 10 keer lager dan die van de CO2-laser (1.064 micron ten opzichte van 10,6 micron). De kortere golflengte laat aanzienlijk kleinere brandpunten toe en dus hogere intensiteiten bij hetzelfde vermogen in vergelijking met CO2-lasers. Dit - en de kortere golflengte die door metalen wordt geabsorbeerd - is voordelig voor de metaalbewerking.