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Láser Nd:YAG

Láser Nd:YAG con tapa abierta que muestra luz verde de 532 nm con frecuencia duplicada
Varilla láser Nd:YAG

Nd:YAG ( granate de itrio y aluminio dopado con neodimio ; Nd:Y 3 Al 5 O 12 ) es un cristal que se utiliza como medio láser para láseres de estado sólido . El dopante , neodimio triplemente ionizado , Nd(III), normalmente reemplaza una pequeña fracción (1%) de los iones de itrio en la estructura cristalina huésped del granate de itrio y aluminio (YAG), ya que los dos iones son de tamaño similar. [1] Es el ion neodimio el que proporciona la actividad láser en el cristal, de la misma manera que el ion cromo rojo en los láseres de rubí . [1]

El funcionamiento con láser de Nd:YAG fue demostrado por primera vez por JE Geusic et al. en los Laboratorios Bell en 1964. [2]

Tecnología

Los iones de neodimio en varios tipos de cristales iónicos, y también en vidrios, actúan como un medio de ganancia de láser, emitiendo típicamente luz de 1064 nm desde una transición atómica particular en el ion de neodimio, después de ser "bombeados" para excitarse desde una fuente externa.

Los láseres Nd: YAG se bombean ópticamente mediante un tubo de destello o diodos láser . Estos son uno de los tipos de láser más comunes y se utilizan para muchas aplicaciones diferentes. Los láseres Nd:YAG normalmente emiten luz con una longitud de onda de 1064 nm , en el infrarrojo . [3] Sin embargo, también hay transiciones cerca de 946, 1120, 1320 y 1440 nm. Los láseres Nd:YAG funcionan tanto en modo pulsado como continuo. Los láseres pulsados ​​de Nd:YAG normalmente funcionan en el llamado modo de conmutación Q : se inserta un interruptor óptico en la cavidad del láser esperando una inversión máxima de población en los iones de neodimio antes de abrirse. Luego, la onda de luz puede atravesar la cavidad, despoblando el medio láser excitado con una inversión de población máxima. En este modo Q-switched se han logrado potencias de salida de 250 megavatios y duraciones de impulso de 10 a 25 nanosegundos. [4] Los pulsos de alta intensidad se pueden duplicar eficientemente en frecuencia para generar luz láser a 532 nm, o armónicos más altos a 355, 266 y 213 nm.

Nd:YAG absorbe principalmente en las bandas entre 730–760 nm y 790–820 nm. [3] A bajas densidades de corriente, las lámparas de flash de criptón tienen una mayor potencia en esas bandas que las lámparas de xenón más comunes , que producen más luz a alrededor de 900 nm. Por tanto, los primeros son más eficientes para bombear láseres Nd:YAG. [5]

La cantidad de dopante de neodimio en el material varía según su uso. Para la salida de onda continua , el dopaje es significativamente menor que para los láseres pulsados. Los bastones CW ligeramente dopados se distinguen ópticamente por tener menos color, casi blancos, mientras que los bastones más dopados son de color rosa violáceo. [ cita necesaria ]

Otros materiales huéspedes comunes para el neodimio son: YLF ( fluoruro de itrio y litio , 1047 y 1053 nm), YVO 4 ( ortovanadato de itrio , 1064 nm) y vidrio . Se elige un material huésped particular para obtener una combinación deseada de propiedades ópticas, mecánicas y térmicas. Los láseres Nd:YAG y sus variantes se bombean mediante tubos de destello , lámparas de descarga continua de gas o diodos láser del infrarrojo cercano ( láseres DPSS ). Los tipos de láseres Nd:YAG preestabilizados (PSL) han demostrado ser particularmente útiles para proporcionar los haces principales para interferómetros de ondas gravitacionales como LIGO , VIRGO , GEO600 y TAMA . [ cita necesaria ]

Aplicaciones

Medicamento

Fotografía con lámpara de hendidura de opacificación capsular posterior visible unos meses después de la implantación de una lente intraocular en el ojo, vista con retroiluminación

Los láseres Nd:YAG se utilizan en oftalmología para corregir la opacificación capsular posterior , [6] después de la cirugía de cataratas , para la iridotomía periférica en pacientes con glaucoma crónico [7] y agudo de ángulo cerrado , [8] donde ha reemplazado en gran medida a la iridectomía quirúrgica , [ 9] para el tratamiento de moscas volantes vítreas , [10] para la fotocoagulación panrretiniana en el tratamiento de la retinopatía diabética proliferativa , [11] y para dañar la retina en la investigación en oftalmología con animales. [12]

Los láseres Nd:YAG que emiten luz a 1064 nm han sido el láser más utilizado para la termoterapia inducida por láser , en la que el haz elimina lesiones benignas o malignas en varios órganos.

En oncología , los láseres Nd:YAG se pueden utilizar para eliminar cánceres de piel . [13] También se utilizan para reducir los nódulos tiroideos benignos, [14] y para destruir lesiones hepáticas malignas primarias y secundarias. [15] [16]

Para tratar la hiperplasia prostática benigna (HPB), se pueden usar láseres Nd:YAG para la cirugía de próstata con láser, una forma de resección transuretral de la próstata . [17] [18]

Estos láseres también se utilizan ampliamente en el campo de la medicina estética para la depilación láser y el tratamiento de defectos vasculares menores como las arañas vasculares en la cara y las piernas. Los láseres Nd:YAG también se utilizan para tratar lesiones venosas del labio lacustre . [19] Recientemente, los láseres Nd:YAG se han utilizado para tratar la celulitis disecante del cuero cabelludo , una enfermedad rara de la piel. [20]

Mediante histeroscopia, el láser Nd:YAG se ha utilizado para eliminar los tabiques uterinos dentro del útero. [21]

En podología , el láser Nd:YAG se utiliza para tratar la onicomicosis , que es una infección por hongos en la uña del pie. [22] Los méritos del tratamiento con láser de estas infecciones aún no están claros y se están realizando investigaciones para establecer su eficacia. [23] [24]

Odontología

Los láseres dentales Nd:YAG se han utilizado para la eliminación de caries dental como una alternativa a la terapia con fresas, aunque la evidencia que respalda su uso es de baja calidad. [25] También se han utilizado para cirugías de tejidos blandos en la cavidad bucal , como gingivectomía , [26] [27] desbridamiento del sulcular periodontal, [28] LANAP , [29] y pulpotomía . [30] Los láseres dentales Nd:YAG también han demostrado ser eficaces para tratar y prevenir la hipersensibilidad dental, [31] como complemento de la instrumentación periodontal , [32] y para el tratamiento de la estomatitis aftosa recurrente . [33]

Fabricación

Los láseres Nd:YAG se utilizan en la fabricación para grabar, grabar o marcar una variedad de metales y plásticos, o para procesos de mejora de superficies metálicas como el granallado por láser . [34] Se utilizan ampliamente en la fabricación para cortar y soldar acero, semiconductores y diversas aleaciones. Para aplicaciones automotrices (corte y soldadura de acero), los niveles de potencia suelen ser de 1 a 5 kW. La perforación con superaleaciones (para piezas de turbinas de gas) normalmente utiliza láseres Nd:YAG pulsados ​​(pulsos de milisegundos, no conmutados Q). Los láseres Nd:YAG también se emplean para realizar marcas subsuperficiales en materiales transparentes como vidrio o vidrio acrílico y en policarbonato blanco y transparente para documentos de identidad . Para la fusión selectiva de metales por láser en la fabricación aditiva por capas se utilizan láseres de hasta 2 kW. En aplicaciones aeroespaciales, se pueden utilizar para perforar orificios de refrigeración para mejorar la eficiencia del flujo de aire/expulsión de calor. [ cita necesaria ]

Los láseres Nd:YAG también se utilizan en el proceso no convencional de creación rápida de prototipos de conformación de redes diseñadas por láser (LENS).

El granallado con láser suele utilizar un pulso de 10 a 30 nanosegundos de alta energía (de 10 a 40 julios). El rayo láser se enfoca hasta unos pocos milímetros de diámetro para depositar gigavatios de potencia en la superficie de una pieza. El granallado por láser se diferencia de otros procesos de fabricación en que no calienta ni añade material; Es un proceso mecánico de trabajo en frío del componente metálico para impartir tensiones residuales de compresión. El granallado por láser se utiliza ampliamente en motores de turbina de gas tanto en el sector aeroespacial como en la generación de energía para aumentar la fuerza y ​​mejorar la resistencia al daño y la fatiga del metal . [35]

Dinámica de fluidos

Los láseres Nd:YAG se pueden utilizar para técnicas de visualización de flujo en dinámica de fluidos (por ejemplo, velocimetría de imágenes de partículas o fluorescencia inducida por láser ). [36]

Biofísica

Los láseres Nd:YAG se utilizan con frecuencia para construir pinzas ópticas para aplicaciones biológicas. Esto se debe a que los láseres Nd:YAG emiten principalmente a una longitud de onda de 1064 nm. Las muestras biológicas tienen un coeficiente de absorción bajo en esta longitud de onda, ya que las muestras biológicas suelen estar compuestas principalmente de agua. [37] Como tal, el uso de un láser Nd:YAG minimiza el daño a la muestra biológica que se está estudiando.

Automotor

Investigadores de los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales de Japón están desarrollando encendedores láser que utilizan chips YAG para encender el combustible de un motor, en lugar de una bujía . [38] [39] Los láseres utilizan varios pulsos de 800 picosegundos de duración para encender el combustible, produciendo un encendido más rápido y uniforme. Los investigadores dicen que estos encendedores podrían producir un mejor rendimiento y economía de combustible, con menos emisiones nocivas.

Militar

Disparo de telémetro láser Nd:YAG excedente militar. El láser se dispara a través de un colimador, enfocando el rayo, que abre un agujero a través de un bloque de goma, liberando una explosión de plasma.

El láser Nd:YAG es el láser más común utilizado en designadores láser y telémetros láser .

Durante la guerra entre Irán e Irak , los soldados iraníes sufrieron más de 4.000 casos de lesiones oculares con láser, causadas por una variedad de fuentes iraquíes, incluidos los telémetros de los tanques. Se cree que la longitud de onda de 1064 nm del Nd:YAG es particularmente peligrosa, ya que es invisible y la exposición inicial es indolora. [40]

El arma láser cegadora china ZM-87 utiliza un láser de este tipo, aunque sólo se han producido 22 debido a su prohibición por la Convención sobre Ciertas Armas Convencionales . Se informa que Corea del Norte utilizó una de estas armas contra helicópteros estadounidenses en 2003. [41] [42]

Espectroscopia de anillo de cavidad (CRDS)

El Nd:YAG se puede utilizar en la aplicación de espectroscopia de anillo de cavidad , que se utiliza para medir la concentración de alguna sustancia que absorbe la luz. [43]

Espectroscopia de ruptura inducida por láser (LIBS)

Se utiliza una gama de láseres Nd:YAG en el análisis de elementos de la tabla periódica. Aunque la aplicación en sí es bastante nueva con respecto a los métodos convencionales como XRF o ICP, ha demostrado consumir menos tiempo y ser una opción más económica para probar concentraciones de elementos. Se enfoca un láser Nd:YAG de alta potencia sobre la superficie de la muestra para producir plasma . La luz del plasma es capturada por espectrómetros y se pueden identificar los espectros característicos de cada elemento, lo que permite medir las concentraciones de elementos en la muestra. [ cita necesaria ]

bombeo láser

Los láseres Nd:YAG, principalmente a través de su segundo y tercer armónico, se utilizan ampliamente para excitar láseres de colorante ya sea en estado líquido [44] o sólido . [45] También se utilizan como fuentes de bombeo para láseres de estado sólido ampliados vibrónicamente como Cr 4+ :YAG o mediante el segundo armónico para bombear láseres de Ti:zafiro .

Frecuencias adicionales

Para muchas aplicaciones, la frecuencia de la luz infrarroja se duplica o triplica utilizando materiales ópticos no lineales como el triborato de litio para obtener luz visible (532 nm, verde) o ultravioleta . [46] El borato de litio y cesio genera los armónicos cuarto y quinto de la longitud de onda fundamental Nd:YAG de 1064 nm. [47] Un puntero láser verde es un láser de estado sólido bombeado por diodos Nd:YVO 4 de frecuencia duplicada ( láser DPSS ). [48] ​​También se puede hacer que Nd:YAG emita láser en su longitud de onda no principal. La línea de 946 nm se emplea normalmente en láseres DPSS de "puntero láser azul", donde se duplica a 473 nm. [49] [50] [51]

Propiedades físicas y químicas del Nd:YAG

Propiedades del cristal YAG

Índice de refracción de Nd:YAG

Propiedades de Nd:YAG @ 25 °C (con dopaje de Nd al 1%)

Referencias y notas

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