Láser Nd:YAG
Cristal utilizado como medio láser para láseres de estado sólido
Láser Nd:YAG con tapa abierta que muestra luz verde de 532 nm con frecuencia duplicada
Varilla láser Nd:YAG

El Nd :YAG ( granate de itrio y aluminio dopado con neodimio ; Nd: Y3Al5O12 ) es un cristal que se utiliza como medio láser para láseres de estado sólido . El dopante , neodimio en el estado de oxidación +3, Nd ( III), normalmente reemplaza una pequeña fracción (1%) de los iones de itrio en la estructura cristalina anfitriona 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 del láser 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 láser, emitiendo típicamente luz de 1064 nm desde una transición atómica particular en el ion de neodimio, después de ser "bombeados" a la excitación desde una fuente externa.

Los láseres Nd: YAG se bombean ópticamente utilizando un tubo de flash o diodos láser . Estos son uno de los tipos más comunes de láser 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 Nd:YAG pulsados ​​normalmente funcionan en el llamado modo de conmutación Q : se inserta un interruptor óptico en la cavidad del láser esperando una inversión de población máxima en los iones de neodimio antes de abrirse. Luego, la onda de luz puede pasar a través de la cavidad, despoblando el medio láser excitado en la inversión de población máxima. En este modo de conmutación Q, se han logrado potencias de salida de 250 megavatios y duraciones de pulso de 10 a 25 nanosegundos. [4] Los pulsos de alta intensidad pueden duplicarse eficientemente en frecuencia para generar luz láser a 532 nm o armónicos más altos a 355, 266 y 213 nm.

El Nd:YAG absorbe principalmente en las bandas entre 730-760 nm y 790-820 nm. [3] A bajas densidades de corriente, las lámparas de destello de criptón tienen una mayor potencia en esas bandas que las lámparas de xenón más comunes , que producen más luz en torno a los 900 nm. Por lo tanto, las primeras 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. Las barras de onda continua ligeramente dopadas se pueden distinguir ópticamente por ser menos coloreadas, casi blancas, mientras que las barras más dopadas son de color rosa violáceo. [ cita requerida ]

Otros materiales hospedantes 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 hospedante 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 de gas continua o diodos láser de infrarrojo cercano ( láseres DPSS ). Los tipos de láseres Nd:YAG de láser preestabilizado (PSL) han demostrado ser particularmente útiles para proporcionar los haces principales para interferómetros de ondas gravitacionales como LIGO , VIRGO , GEO600 y TAMA . [ cita requerida ]

Aplicaciones

Medicamento

Fotografía con lámpara de hendidura de la opacificación capsular posterior visible unos meses después de la implantación de una lente intraocular en el ojo, vista en 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 del ojo , [10] para la fotocoagulación pan-retiniana en el tratamiento de la retinopatía diabética proliferativa , [11] y para dañar la retina en la investigación oftalmológica con animales. [12]

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

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

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

Estos láseres también se utilizan ampliamente en el campo de la medicina cosmética 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 en los labios . [19] Recientemente, los láseres Nd:YAG se han utilizado para tratar la celulitis disecante del cuero cabelludo , una enfermedad cutánea poco común. [20]

Mediante la histeroscopia se ha utilizado el láser Nd:YAG 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 fúngica de 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 dentales como una alternativa a la terapia con fresas, aunque la evidencia que apoya su uso es de baja calidad. [25] También se han utilizado para cirugías de tejidos blandos en la cavidad oral , como la gingivectomía , [26] [27] el desbridamiento del surco periodontal, [28] LANAP , [29] y la pulpotomía . [30] También se ha demostrado que los láseres dentales Nd:YAG son 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 varias aleaciones. Para aplicaciones automotrices (corte y soldadura de acero), los niveles de potencia suelen ser de 1 a 5 kW. La perforación de superaleaciones (para piezas de turbinas de gas) generalmente utiliza láseres Nd:YAG pulsados ​​(pulsos de milisegundos, no Q-switched). Los láseres Nd:YAG también se emplean para hacer marcas subsuperficiales en materiales transparentes como vidrio o vidrio acrílico y en policarbonato blanco y transparente para documentos de identidad . Los láseres de hasta 2 kW se utilizan para la fusión selectiva por láser de metales en la fabricación aditiva en capas. En aplicaciones aeroespaciales, se pueden utilizar para perforar orificios de enfriamiento para mejorar la eficiencia del flujo de aire/escape de calor. [ cita requerida ]

Los láseres Nd:YAG también se utilizan en el proceso de creación rápida de prototipos no convencional llamado conformación de red mediante ingeniería láser (LENS).

El granallado láser normalmente utiliza un pulso de alta energía (10 a 40 julios) de 10 a 30 nanosegundos. El haz láser se enfoca hasta unos pocos milímetros de diámetro para depositar gigavatios de potencia en la superficie de una pieza. El granallado láser es diferente a 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 láser se utiliza ampliamente en motores de turbina alimentados con gas tanto en la industria aeroespacial como en la generación de energía para aumentar la resistencia y mejorar la resistencia a los daños 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] Por lo tanto, el uso de un láser Nd:YAG minimiza el daño a la muestra biológica que se está estudiando.

Automotor

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

Militar

Disparo con telémetro láser Nd:YAG de excedente militar. El láser dispara a través de un colimador, enfocando el haz, que perfora un bloque de goma y libera una ráfaga 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 4000 casos de lesiones oculares causadas por láser, causadas por una variedad de fuentes iraquíes, incluidos los telémetros de tanques. Se cree que la longitud de onda de 1064 nm del láser 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 que está prohibido 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 cavidad en anillo descendente (CRDS)

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

Espectroscopia de ruptura inducida por láser (LIBS)

En el análisis de los elementos de la tabla periódica se utiliza una variedad de láseres Nd:YAG. Aunque la aplicación en sí es bastante nueva con respecto a los métodos convencionales, como XRF o ICP, ha demostrado ser una opción más económica y que requiere menos tiempo para analizar las 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 requerida ]

Bombeo láser

Los láseres Nd:YAG, principalmente a través de sus armónicos segundo y tercero, 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 ensanchados vibrónicamente como Cr 4+ :YAG o a través del segundo armónico para bombear láseres Ti:zafiro .

Frecuencias adicionales

Para muchas aplicaciones, la luz infrarroja se duplica o triplica en frecuencia utilizando materiales ópticos no lineales como el triborato de litio para obtener luz visible (532 nm, verde) o ultravioleta . [46] El borato de cesio y litio genera los armónicos 4.º y 5.º de la longitud de onda fundamental de 1064 nm del Nd:YAG. [47] Un puntero láser verde es un láser de estado sólido bombeado por diodos Nd:YVO 4 de frecuencia duplicada ( láser DPSS ). [48] El Nd:YAG también puede utilizarse para que emita láser en su longitud de onda no principal. La línea a 946 nm se emplea normalmente en los 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

  • Fórmula : Y3Al5O12​​​
  • Peso molecular: 596,7
  • Estructura cristalina: cúbica
  • Dureza: 8–8,5 (Mohs) [52]
  • Punto de fusión: 1970 °C (3540 °F)
  • Densidad: 4,55 g/ cm3

Índice de refracción de Nd:YAG

Longitud de onda (μm)Índice n (25 °C)
0,81.8245
0.91.8222
1.01.8197
1.21.8152
1.41.8121
1.51.8121

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

  • Fórmula: Y 2,97 Nd 0,03 Al 5 O 12
  • Peso de Nd: 0,725%
  • Átomos de Nd por unidad de volumen: 1,38×10 20 /cm 3
  • Estado de carga de Nd: 3+
  • Longitud de onda de emisión: 1064 nm
  • Transición: 4 F 3/2 → 4 I 11/2
  • Duración de la fluorescencia: 230 μs [52]
  • Conductividad térmica: 0,14 W·cm −1 ·K −1
  • Capacidad calorífica específica: 0,59 J·g −1 ·K −1
  • Expansión térmica: 6,9×10 −6 K −1
  • d n /d T : 7,3 × 10 −6 K −1
  • Módulo de Young: 3,17×10 4 K·g/mm −2
  • Coeficiente de Poisson: 0,25
  • Resistencia al choque térmico: 790 W·m −1

Referencias y notas

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