Лазер на алюмо-итриевом гранате с неодимом

Лазер на алюмо-итриевом гранате с неодимом. Лазер на алюмо-иттриевом гранате с неодимом ИАГ Nd-лазер, АИГ Nd-лазер, Nd ИАГ-лазер, неодимовый ИАГ-лазер является на сегодняшний день наиболее широко используемым твёрдотельным лазером.

Он имеет очень широкий спектр применения, например, в обработке материалов резка, сверление, сварка и т.д в медицине фотокоагуляция, в измерительной технике лазерные локаторы, в науке лазеры с модулированной добротностью. Популярность этого типа лазеров обусловлена удачным сочетанием механических, физических, спектрально-люминесцентных свойств активной среды, позволяющим реализовывать практически все известные режимы генерации с хорошими выходными характеристиками излучения.

Существенными преимуществами ИАГ Nd-лазера являются простота и компактность конструкции и высокая средняя мощность излучения.

ИАГ Nd-лазеры работают и в импульсном, и в непрерывном режиме.

КПД отношение световой мощности к потребляемой электрической мощности таких лазеров 1 - 3 как в импульсном, так и в непрерывном режиме.

В непрерывном многомодовом режиме выходная мощность достигает 200 Вт, в импульсных лазерах с большой скоростью повторения импульсов 50 Гц средняя выходная мощность порядка 500 Вт, в режиме модуляции добротности максимальная выходная мощность до 500 МВт 14, стр. 335 - 340 15, стр. 150 - 154, 305 - 311 16 . Генерация осуществляется на переходах ионов неодима Nd3 , которые вводятся в различные кристаллы основного материала, замещая ионы иттрия Y3 . Хотя используются и фосфатное или силикатное стекло, легированное ионами Nd3 , и такие кристаллические материалы, как YALO YAlO3 , YLF YLiF4 и GSGG Gd3Sc2Ga3O12 , обычно используется алюмо-иттриевый иттрий-алюминиевый гранат Y3Al5O12 - YAG АИГ или ИАГ . Чистый ИАГ является бесцветным кристаллом, свойства которого хорошо изучены.

Его структура относится к пространственной группе с общей кубической симметрией кристаллографической решётки. Постоянная решётки при комнатной температуре равна 12,008 Е. По своим оптическим свойствам кристалл ИАГ является изотропным, т.е. его показатель преломления 1,81633 не зависит от поляризации и направления распространения света.

До температуры плавления 1930 20о С кристалл сохраняет свою кристаллическую структуру, что обеспечивает его большую механическую стабильность.

ИАГ прозрачен в диапазоне 24 - 600 нм, имеет твёрдость около 8,5 по шкале Мооса и относительно высокую теплопроводность выше, чем другие кристаллы материала с Nd3 . Основные свойства кристалла граната с неодимом оказываются близкими к свойствам чистого кристалла, за исключением спектральных свойств, где вклад ионов Nd существенен из-за сильного различия спектров поглощения и люминесценции ионов Nd от таковых для остальных ионов кристаллической решётки. Наиболее интенсивная люминесценция соответствует длине волны 1,06 мкм основная длина волны, на которой происходит генерация. Кристалл может быть выращен с адекватными размерами.

Изготавливаемые кристаллы имеют длину до 150 мм. В лазерах стержни кристалла имеют типичный диаметр 3 - 7 мм и длину 9 - 150 мм. Ионы Nd3 вводятся в ИАГ-кристаллы в концентрации до 1,5 объёмных процентов.

Более высокое содержание легирующей смеси трудно обеспечить из-за различных объёмов ионов Nd3 и Y3 радиус иона Nd3 приблизительно на 14 превышает радиус иона Y3 . Этот уровень легирования придаёт кристаллу ИАГ бледно-пурпуровую окраску, поскольку линии поглощения Nd3 лежат в красной области.

Высокая твёрдость кристалла ИАГ позволяет достигать в процессе полировки рабочих поверхностей кристалла предельно высокого класса чистоты поверхности и сохранять этот класс в процессе эксплуатации, т.к. царапающие кристалл инородные частицы имеют обычно меньшую твёрдость.

Поскольку коэффициент преломления кристалла граната достаточно высок 1,81633 , то френелевское отражение от его рабочих поверхностей оказывается достаточно большим - 8,4 от одной поверхности.

Для предотвращения отрицательного влияния этого отражения рабочие поверхности активных элементов покрываются просветляющим покрытием, снижая коэффициент отражения от одной поверхности до 0,2 . ИАГ Nd-лазер является лазером с четырьмя уровнями. Рис. 6. Расположение энергетических уровней и лазерный переход ИАГ Nd-лазера 4, стр. 31 Сначала ионы Nd3 находятся на основном уровне 1. Вследствие поглощения света ламп накачки они возбуждаются в состояние полос возбуждения 2. Вследствие быстрых безызлучательных переходов населяется верхний метастабильный долгоживущий уровень 3. Таким образом возникает инверсия населённости на переходе 3 4, дающая возможность лазерной генерации на длине волны 1,064 мкм в БИК области спектра.

В ИАГ Nd-лазере на нижние рабочие уровни заселены слабо и потому основная доля мощности накачки расходуется на преодоление потерь в резонаторе и полезное выходное излучение.

Для получения генерации в лазере работающем по четырёхуровневой схеме достаточно перевести на уровень 3 лишь малую часть ионов Nd. Это отличает подобный вид лазеров от лазеров, работающих по трёхуровневой схеме.

В последних нижним рабочим уровнем является основной уровень и для создания инверсной населённости требуется перевести на метастабильный уровень не менее половины ионов с основного уровня, а с учётом потерь в резонаторе и полезного излучения - более половины ионов.

Поэтому в трёхуровневых лазерах например, у лазера на рубине мощность накачки расходуется менее производительно и КПД этих лазеров существенно ниже. В данном случае накачка создаёт свет с частотой, равной частоте перехода между рабочими уровнями 2 и 3. Накачка для активного лазерного перехода может быть выполнена лампами дугового разряда с инертным газом например, криптон или ксенон, поскольку их полосы испускания 0,5 - 0,9 мкм довольно хорошо совпадают с уровнями накачки.

Альтернативой данному решению является накачка другими лазерами например, диодными лазерами с длиной волны около 805 нм. Этим способом можно реализовать в диапазоне мощности 0,1 - 10 Вт с КПД более 15 . Кристалл граната и импульсная лампа помещены в кварцевый блок с отверстиями вдоль продольной оси. Наружная поверхность кварцевого блока покрыта высоко отражающим покрытием из алюминия, он является эллиптическим отражателем.

Рис. 7. Компоновка основных элементов ИАГ Nd-лазера Именно такая конструкция отражателя способствует повышенной концентрации отражённого излучения в центре активного стержня. В импульсных лазерах в качестве накачки применяются в основном ксеноновые газоразрядные лампы. Благодаря модуляции добротности достигается типичная энергия импульсов в несколько джоулей.

Лампы-вспышки имеют ресурс более 107 импульсов. В лазерах с непрерывной накачкой также может быть модулирована добротность. При этом возможна более высокая частота повторения импульсов, до уровня МГц, в отличие от ИАГ Nd-лазеров в импульсном режиме, у которых достижима частота повторения импульсов почти на три порядка ниже. Из-за незначительной эффективности мощность и энергия импульсов при непрерывной накачке значительно ниже. Приблизительно постоянную мощность получают до частоты повторения импульсов, которая примерно соответствует времени жизни верхнего лазерного уровня для ИАГ Nd 250 сек. В области высоких частот при увеличении частоты падает пропорциональное увеличение мощности т.к. между отдельными импульсами формируется недостаточная инверсия населённости. В качестве модуляторов добротности при импульсной накачке часто используют электрооптические затворы ячейки Поккельса, а при непрерывной накачке - акустооптические затворы с очень высоким пропусканием.

ИАГ Nd-лазеры с модуляцией добротности генерируют короткие импульсы длительностью 5-10 нс. С помощью синхронизации мод могут быть генерированы последовательности из очень коротких импульсов с длительностью много меньшей 1 нс. Благодаря установке в резонатор спектрально-селективных элементов обеспечивается генерация ИАГ Nd-лазера также на других длинах волн. Кроме того, с помощью нелинейных оптических кристаллов можно генерировать более высокие гармоники основная гармоника - 1064 нм, т.е. 2-ая гармоника - 532 нм соответствует зелёной части спектра и наиболее часто используется 3-я гармоника - 355 нм 4-ая гармоника - 266 нм. Стандартные ИАГ Nd-лазеры с длиной волны 1064 нм излучают глубоко проникающее внутрь излучение, которое вызывает выраженное повреждение ткани.

В воде поглощается лишь незначительная часть всего их излучения, поэтому их проникающая способность так высока, они могут коагулировать биоткань до глубины 5,5 мм и закрывать сосуды с диаметром до 5 мм посредством коагуляции и сморщивания.

Эффективное рассечение обычными фокусировочными наконечниками наступает при мощности более 70 Вт и низкой скорости рассечения 4, стр. 30 - 33 7, стр. 409 - 410 14, стр. 335 - 340 15, стр. 150 - 154 16 . При сравнительном изучении степени поражения кожи Ракчеев А.П 1986 с различной пигментацией установлено, что при облучении светлой кожи лазерный луч ИАГ Nd-лазера при энергии излучения 400 Дж см2 проникает на глубину до 5 - 6 мм и зона некроза соответствует диаметру светового пучка лазерного излучения, а при облучении кожи с тёмным окрасом проникновение лазерного луча вглубь лежащие ткани меньше 3 - 4 мм, но зона поражения эпидермиса больше, чем при облучении светлой кожи превышая диаметр светового пучка в 1,5 - 2 раза при диаметре пучка 8 мм, луч как бы распространяется по поверхности эпидермиса. Зона поражения кожи и подкожной клетчатки с обильно развитой сосудистой сетью в 2 раза обширнее, чем на участках со слабо сосудистой тканью.

Например, при изучении степени поражения в грудной и крестцовой области животных, изменения больше выражены в коже грудной части туловища животного, что связано с повышением поглощения лазерной энергии, благодаря более обильному кровоснабжению данной зоны. Однако, все эти изменения быстро исчезали и некротические массы к 21 - 30 дню замещались молодой грануляционной тканью.

Следовательно, при использовании ИАГ Nd-лазера в экспериментальных и клинических целях необходимо учитывать мощность излучения Р, пигментацию и васкуляризацию облучаемого участка кожи 5 . Табл. 8. Изменения, возникающие в коже под действием ИАГ Nd-лазера при различной плотности мощности q 5 q, Дж см2 изменения в коже, выявленные при гистологическом и гистохимическом обследованиях видимые изменения в коже 10 минимальные изменения в эпидермисе гиперкератоз, паракератоз, в дерме гиперемия не наступает 20 в эпидермисе некроз макроскопические признаки деструкции 50 некроз распространяется на всю толщину дермы, в подкожно-жировой клетчатке возникают петехиальные кровоизлияния мельчайшие капиллярные кровоизлияния, проявляющиеся в виде синих точек на коже в зоне воздействия лазерного луча изменены придатки кожи 150 некроз возникает не только в фокусе действия луча, но и по периферии, занимая большую площадь, чем диаметр светового пучка 250 - 400 в подкожно-жировой клетчатке кровоизлияния в диаметре до 18 мм некроз макроскопически виден во всей толще эпидермиса и дермы, вплоть до мышц Излучение с длинной волны 1064 нм применяется для выведения в основном чёрных татуировок, а излучение с длинной волны 532 нм - красных 7, стр. 409 . Лазер на углекислом газе Лазер на углекислом газе СО2-лазер, углекислотный лазер является одним из самых эффективных лазеров КПД 15 - 25 , что является следствием очень высокого квантового выхода ? 40 и очень высоко эффективного процесса накачки, который имеет место в СО2-лазере при оптимальной электронной температуре разряда.

Лишь полупроводниковые и СО-лазеры имеют более высокий КПД. Высокая мощность излучения СО2-лазеров даёт возможности их широкого применения в различных областях промышленности, в частности для резки, сварки, пробивки отверстий и т.п в науке в измерениях геометрических размеров, линейной скорости объекта и относительной дальности до него на основе эффекта Доплера, в системах локации и связи дальномеры, в лазерной локации атмосферы т.к. излучение лазера на углекислом газе практически не поглощается самой атмосферой, в хирургии и микрохирургии, в качестве источника когерентного излучения сравнительно небольшой мощности в системах точных измерений передачи информации, тонкой технологии, для лазерного разделения изотопов, как источник оптической накачки лазеров ДИК-диапазона и т.д. В зависимости от конструкции можно получать выходную мощность от 1 Вт до 80 кВт 14, стр. 361 - 377 15, стр. 174 - 178, 305 - 313 . В качестве лазерной среды для СО2-лазера применяется смесь гелия Не, азота N2 и углекислого газа СО2. Соотношение смеси составляет 4,5 СО2, 13,5 N2 и 82 Не. Газовая смесь лазера не является токсичной. В лазерном процессе непосредственно участвуют молекулы N2 и СО2. Гелий служит для повышения КПД лазерного процесса.

Он, как газ с высоким потенциалом ионизации, повышает электронную температуру, а с другой стороны способствует распаду нижних уровней в результате неупругих соударений.

Изготавливаются лазерные системы на СО2 с замкнутым отпаянным или открытым контуром лазерного газа. Газовая смесь при замкнутом контуре выкачивается из резонатора и снова подаётся в резонатор после охлаждения или регенерации, благодаря чему обеспечивается больший срок эксплуатации.

Система охлаждения или регенерации лазерного газа требует дополнительного электропитания и места.

При открытом контуре газовая смесь лазера на углекислом газе проходит из лазерного баллона в лазерный резонатор и непрерывно прокачивается вакуумным насосом. Этот вариант лазера на углекислом газе потребляет много газа, но его проще реализовать технически.

Лазерный переход происходит между двумя колебательными состояниями молекулы СО2. Точный процесс возбуждения можно изложить следующим образом.

Накачка молекул СО2 на верхний лазерный уровень происходит в основном путём передачи энергии от возбуждённых молекул N2. Молекулы азота, в свою очередь, предварительно возбуждаются электрическим разрядом и являются вследствие их долгого нахождения в возбуждённом состоянии 0,1 сек, метастабильный уровень хорошим накопителем энергии.

Эта энергия эффективно передаётся от молекулы азота путём столкновений на верхний лазерный уровень молекулы СО2. Небольшая часть молекул СО2 может быть непосредственно накачана на верхний лазерный уровень соударением с электронами.

На верхнем лазерном уровне молекулы СО2 С- и О-атомы колеблются на одной линии ассиметрично друг другу. Наиболее сильные лазерные линии лазера на углекислом газе, 10,6 мкм и 9,6 мкм ДИК , генерируются при переходе в другие колебательные состояния.

При переходе с верхнего лазерного уровня н3 в симметричное колебание С- и О-атомов на одной линии н1 излучается фотон с длиной волны 10,6 мкм, которая имеет наибольшую интенсивность.

При переходе с верхнего лазерного уровня н3 в симметричное изгибное колебание молекулы СО2 н2 происходит эмиссия излучения с л 9,6 мкм, второй по интенсивности. Благодаря дополнительному примешиванию гелия или водорода в газ лазера, во-первых, быстрее опустошается нижний лазерный уровень, а во-вторых, увеличивается образование возбуждённых молекул азота.

Технически достижимый КПД отношение световой мощности к потребляемой электрической мощности составляет около 30 . Рис. 8. Упрощённая схема уровней СО2-лазера 4, стр. 43 . СО2-лазер, в зависимости от вида разряда, может работать в непрерывном или импульсном режиме типичная продолжительность импульса 1 мкс. Обычные газовые СО2-лазеры возбуждаются либо разрядом постоянного тока импульсно или непрерывно, либо током высокой частоты в МГц-диапазоне.

Преимущества высокочастотного возбуждения по сравнению с возбуждением постоянным током следующие примерно в 10 раз меньше напряжение повышенная безопасность более высокая модуляционная способность 10 кГц более высокое качество луча отсутствие износа электрода и, следовательно, продолжительный срок службы лазерного газа. Недостатком же является более высокая покупная цена. Для длин волн СО2-лазера 10,6 мкм и 9,6 мкм в ИК области спектра не применяются обычные оптические материалы - стекло и кварц, т.к. они имеют слишком большое поглощение в этом диапазоне длин волн. В качестве оптических материалов для таких лазеров используются германий, арсенид галлия, сульфат цинка, селенид цинка и многие щелочно-галоидные материалы.

Но даже малейшее загрязнение линз приводит к их разрушению 4, стр. 42 - 45 7, стр. 403 - 405 14, стр. 361 - 377 15, стр. 174 - 178 . Длина волны СО2-лазера равная 10600 нм почти полностью поглощается водой в слое малой толщины менее 0,1 см, что очень быстро приводит температурам более 300о С. Поскольку кожа и ткань дефектов состоят преимущественно из воды, то вследствие непосредственного поглощения ими такого излучения происходит испарение этих дефектных структур.

В зависимости от диаметра луча, мощности Р и управления световым стержнем СО2-лазер может использоваться для разрезания обычно с фокусировкой и для послойного испарения без фокусировки, при котором могут образоваться карбонизационные остатки 4, стр. 45 . Это обугливание может экранировать ткани от дальнейшего лазерного воздействия и должно быть затем устранено механически, хотя это и вызовет дополнительное кровотечение.

Иначе эти углеродные соединения при дальнейшем воздействии лазерного света могут нагреться до температуры более 2000о С, что может вызвать нежелательные эффекты в окружающих тканях 9 . То же, что при обугливании достигается и при обезвоживании ткани, т.к. сильно ослабляется теплопроводность и происходит накопление тепла.

Коагуляционные свойства СО2-лазера незначительны, надёжно он может закрывать сосуды с диаметром только до 0,5 мм 4, стр. 45 . Излучение, испускаемое СО2-лазером, неразличимо глазом, поэтому при практическом его использовании применяется дополнительный гелий-неоновый лазер, создающий луч для наведения. В лазерном скальпеле фокусирующая оптика с большим фокусным расстоянием сводит вместе основной и дополнительный лучи. Лазерный скальпель, к которому излучение лазера подводится по световоду, имеет все степени подвижности и хирург оперирует им как обычным лазером.

Преимущества лазерной хирургии состоят в том, что она является бесконтактной, практически бескровной при условии наличия плотности мощности достаточной для коагуляции крови и прижигания сосудов, стерильной, локальной, даёт гладкое заживление рассечённой ткани, а отсюда хорошие косметические результаты. Недостатком лазерной хирургии является то, что практически трудно регулировать глубину реза. СО2-лазер работает при мощности в пределах от 1 до 30 Вт. Длительность импульсов - от 0,01 до 0,1 сек, однако он может работать и в непрерывном режиме 4, стр. 45 . СО2-лазер сжигает любую одежду или бумагу, с которой вступает в контакт, поэтому следует принять меры противопожарной безопасности.

Очки с линзами из стекла или прозрачного пластика, надёжно предохранят глаза от действия генерируемой длины волны. При использовании СО2-лазера необходимо обратить особое внимание на удаление дыма, образующегося в большом количестве во время процедуры, потому что он может содержать вирусы.

Недавние исследования показали относительное увеличение частоты образования бородавок на слизистой носоглотки у хирургов, работающих с лазером на углекислом газе, которые, по-видимому, заразились при вдыхании производимого лазером дыма. Обязательными условиями работы с этим лазером являются ношение маски и применение специальных вакуумных очистителей воздуха 7, стр. 404 .