I.N.A.O.E

Física de Láseres

“Sistema láser de Nd:YAG”

Zulema Navarrete Meza

Dr. Carlos Treviño PalaciosAbril 27, 2004

ORGANIZACIÓN

Introducción

Constitución Física del Nd:YAG

Propiedades Físicas y Ópticas del Nd:YAG

Propiedades del Láser

Ingeniería del Láser Nd:YAG

Formas de emisión del Láser Nd:YAG

Formas de Operación del Nd:YAG

Aplicaciones

Bibliografía

Introducción

El Nd:YAG es un láser modelado en cuatro niveles que emite en el N-IR; está constituido por neodimio en forma de iones de impureza en un cristal de itrio-aluminio granate. El cristal tiene buenas propiedades químicas, térmicas y ópticas. Es un láser que emite en onda continua y pulsada. Los métodos más comunes para la modulación interna de la luz láser son Conmutación Q y Amarre de Modos.

El Nd es un elemento lantánido embebido en una matriz cristalina de YAG (Y3Al5O12). El cristal es de un color púrpura pálido . Los Iones Nd3+ sustituyen alrededor del 1% del Y3+.

Constitución Física del Nd:YAG

Propiedades Físicas y Ópticas

del Nd:YAG

Fórmula química Nd:Y3Al5O12

% Peso Nd 0.725% Atómico Nd 1.0átomos Nd/cm3 1.38 x 1020

Punto de Fusión 1970°CDureza de Knoop 1215Densidad 4.56 g/cm3

Esfuerzo de ruptura 1.3-2.6 x 106 kg/cm2

Módulo de elasticidad 3 x 106 kg/cm2

Coeficiente de expansión térmica orientación [100] 8.2 x 10-6°C-1, 0-250°C orientación [110] 7.7 x 10-6 °C-1, 10-250°C orientación [111] 7.8 x 10-6°C-1, 0-250°CAncho de línea 4.5 ÅSección eficaz de emisión estimulada R 2 – Y 3 21 = 6.5 x 10-19 cm2

4F 3/2 – 4I 11/2 21 = 2.8 x 10-19 cm2

Tiempo de vida fluorescente 230 sEnergía del fotón a 1.06 m h = 1.86 x 10-19 JÍndice de refracción 1.82 (a 1.0 m)

Pérdidas por esparcimiento sc ~ 0.002 cm-1

Propiedades físicas y ópticas del Nd:YAG

Propiedad Unidades 300 K 200 K 100 KConductividad térmica W cm-1 K-1 0.14 0.21 0.58Calor específico W s g-1 K-1 0.59 0.43 0.13Difusividad térmica cm2 s-1 0.046 0.1 0.92

Expansión térmica K-1 x 10-6 7.5 5.8 4.25

dn/dT K-1 7.3 x 10-6 - -

Propiedades térmicas del Nd:YAG

Es importante conocer los espectros de absorción de los medios de ganancia para asegurar la captura de los fotones emitidos por las fuentes de bombeo. En el caso del Nd:YAG dos de sus líneas de absorción más importantes se encuentran a 750 y 810 nm.

Propiedades del Láser

Niveles de energía a la transición láser a 1064nm del ND:YAG.

i) La emisión láser ocurre a 0=1064.1nm a 27°C

ii) El nivel de transición láser inferior (nivel 1) tiene una energía 0.2eV por encima del estado base

iii) A 27°C la población del nivel 1 está abajo por un factor de eE/kT e-10 del estado base, por lo tanto no es significativo

... Propiedades del Láser

... Propiedades del Láser

Sistema de

4 niveles

Los láseres de Nd:YAG se pueden encontrar en onda continua (CW) y en forma pulsada.

Formas de emisión del Láser Nd:YAG

Ingeniería del Láser Nd:YAG

Formas de Operación del Nd:YAG

Modulación interna del haz de luz:

Onda continua en Amarre de Modos (Mode-Locking)

Nd:YAG pulsado con Conmutación Q (Q-Switching) y Amarre de Modos.

Aplicaciones

Aplicaciones Militares

Ciencia

IndustriaMedicina

Comunicaciones

... Aplicaciones

i) Generación de Segundo Armónico (SHG) por Doblado de Frecuencia

ii) Generación de Tercer Armónico por suma de frecuencia de Segundo Armónico más la frecuencia fundamental

iii) Generación de Cuarto Armónico por doblado de frecuencia de Segundo Armónico

Bibliografía

Understanding Lasers (An entry-level guide), Jeff HECHT; Ed. IEEE Press. E.U.A., 1992

Fundamentals of Photonics, Bahaa E. A. SALEH & Malvin Carls TEICH; Ed. John Wiley & Sons. E.U.A., 1991

Solid-State Laser Engineering, Walter KOECHNER; Ed. Springer. E.U.A., 1999

Modern and Nonlinear Optics, Miles PADGETT (m.padgett@physics.gla.ac.uk)

www.vloc.com

www.baikowski.com