Nd:YAGレーザー

Nd:YAG (ネオジムドープイットリウムアルミニウムガーネット、Nd:Y ₃ Al ₅ O ₁₂ ) は、固体レーザーのレーザー媒体として使用される結晶です。ドーパントである +3 酸化状態のネオジムNd(III) は、通常、イットリウムアルミニウムガーネット(YAG)のホスト結晶構造内のイットリウムイオンのごく一部 (1%) を置き換えます。これは、2 つのイオンが同様のサイズであるためです。^[1]ルビーレーザーの赤色クロムイオンと同じように、結晶内でレーザー活性を提供するのはネオジムイオンです。^[1]

Nd:YAGレーザーの動作は1964年にベル研究所のJE Geusicらによって初めて実証されました。^[2]

Nd: YAGレーザーは、フラッシュチューブまたはレーザーダイオードを使用して光ポンピングされます。これらは最も一般的なタイプのレーザーの 1 つで、さまざまなアプリケーションに使用されます。Nd: YAG レーザーは通常、赤外線の1064 nmの波長の光を放射します。^[3]ただし、946、1120、1320、および 1440 nm 付近にも遷移があります。Nd: YAG レーザーは、パルスモードと連続モードの両方で動作します。パルス Nd: YAG レーザーは通常、いわゆるQ スイッチングモードで動作します。つまり、光スイッチがレーザー キャビティに挿入され、ネオジム イオンの最大反転分布が発生するのを待ってから開きます。次に、光波がキャビティを通過し、最大反転分布で励起されたレーザー媒体の人口を減らします。この Q スイッチ モードでは、250 メガワットの出力と 10 ～ 25 ナノ秒のパルス持続時間が達成されています。^[4]高強度パルスは効率的に周波数倍増され、532nmのレーザー光、または355、266、213nmの高調波を生成することができる。

Nd:YAGは主に730～760nmと790～820nmの帯域で光を吸収します。^[3]低電流密度では、 クリプトンフラッシュランプは、900nm付近でより多くの光を生成する一般的なキセノンランプよりも、これらの帯域でより高い出力を示します。そのため、前者はNd:YAGレーザーのポンピングに効率的です。^[5]

材料に含まれるネオジムドーパントの量は、その用途によって異なります。連続波出力の場合、ドーピング量はパルスレーザーの場合よりも大幅に少なくなります。低濃度ドーピングされた CW ロッドは、色が少なくほぼ白色で光学的に区別できますが、高濃度ドーピングされたロッドはピンク紫色です。^{[引用が必要]}

ネオジムの他の一般的なホスト材料は、YLF（イットリウムリチウムフッ化物、1047および1053 nm）、YVO ₄（イットリウムオルトバナデート、1064 nm）、およびガラスです。光学的、機械的、および熱的特性の望ましい組み合わせを得るために、特定のホスト材料が選択されます。Nd:YAGレーザーとその変種は、フラッシュチューブ、連続ガス放電ランプ、または近赤外レーザーダイオード（DPSSレーザー）のいずれかによって励起されます。Nd:YAGレーザーのPSL（Prestabilized Laser）タイプは、 LIGO、VIRGO、GEO600、およびTAMAなどの重力波干渉計のメインビームを提供するのに特に有用であることが証明されています。^[要出典]

Nd:YAGレーザーは、眼科において、白内障手術後の後嚢混濁の矯正^[6]、慢性^[7]および急性閉塞隅角緑内障[ ^8]の患者の周辺虹彩切開術（外科的虹彩切除術にほぼ取って代わった）^{[9] 、硝子}体浮遊物の治療^[10]、増殖性糖尿病網膜症の治療における網膜全体の光凝固^[11]、および眼科動物実験での網膜の損傷^[12]に使用されている。

1064 nm の光を発する Nd:YAG レーザーは、さまざまな臓器の良性または悪性の病変をビームで除去する レーザー誘起温熱療法に最も広く使用されているレーザーです。

腫瘍学では、Nd:YAGレーザーは皮膚がんの除去に使用されます。^[13]また、良性の甲状腺結節の縮小や^[14]原発性および二次性の悪性肝病変の破壊にも使用されます。^{[15] [16]}

良性前立腺肥大症（BPH）の治療には、Nd:YAGレーザーを使用したレーザー前立腺手術（経尿道的前立腺切除術）が用いられる。^{[17] [18]}

これらのレーザーは、美容医療の分野でもレーザー脱毛や顔や脚のクモ状静脈などの軽度の血管障害の治療に広く使用されています。Nd:YAGレーザーは、静脈性湖唇病変の治療にも使用されています。^{[19]最近、Nd:YAGレーザーは、まれな皮膚疾患である}頭皮の解離性蜂窩織炎の治療に使用されています。^[20]

子宮鏡検査では、Nd:YAGレーザーが子宮内部の子宮中隔の除去に使用されている。 ^[21]

足病学では、Nd:YAGレーザーは足の爪の真菌感染症である爪白癬の治療に使用されています。 ^[22]これらの感染症に対するレーザー治療の利点はまだ明らかではなく、有効性を確立するための研究が行われています。^{[23] [24]}

Nd:YAG歯科用レーザーは、ドリル療法の代替として虫歯の除去に使用されていますが、その使用を裏付ける証拠の質は低いです。 ^[25]また、歯肉 切除術、^{[26] [27]}歯周溝デブリードマン、^[28] LANAP、^{[29]および}歯髄切除術などの口腔内の軟組織手術にも使用されています。^{[30] Nd:YAG歯科用レーザーは、歯の知覚過敏症の治療と予防、 [31]}歯周治療器具の補助として、^[32]および再発性アフタ性口内炎の治療に有効であることも示されています。^[33]

Nd:YAGレーザーは、さまざまな金属やプラスチックの彫刻、エッチング、マーキング、またはレーザーピーニングなどの金属表面強化プロセスの製造に使用されています。^[34]鋼、半導体、さまざまな合金の切断や溶接の製造に広く使用されています。自動車用途（鋼の切断と溶接）の場合、出力レベルは通常1〜5kWです。超合金の穴あけ（ガスタービン部品用）では、通常、パルスNd:YAGレーザー（Qスイッチではなくミリ秒パルス）が使用されます。Nd:YAGレーザーは、ガラスやアクリルガラスなどの透明材料や、身分証明書用の白と透明のポリカーボネートの表面下マーキングにも使用されます。最大2kWのレーザーは、積層造形における金属の選択的レーザー溶融に使用されます。航空宇宙用途では、空気の流れ/排熱効率を高めるために冷却穴を開けるために使用できます。 ^[要出典^]

Nd:YAG レーザーは、従来とは異なるラピッドプロトタイピングプロセスであるレーザーエンジニアリングネットシェーピング(LENS) でも使用されます。

レーザーピーニングは、通常、高エネルギー（10～40ジュール）の10～30ナノ秒パルスを使用します。レーザービームは、数ミリメートルの直径に焦点を絞って、部品の表面にギガワットの電力を照射します。レーザーピーニングは、他の製造プロセスとは異なり、加熱も材料の追加も行いません。金属部品を冷間加工して圧縮残留応力を与える機械的プロセスです。レーザーピーニングは、航空宇宙と発電の両方でガス燃焼タービンエンジンに広く使用されており、強度を高め、損傷や金属疲労に対する耐性を向上させます。^[35]

Nd:YAGレーザーは流体力学における流れの可視化技術（例えば粒子画像流速測定法やレーザー誘起蛍光法）に使用することができる。^[36]

Nd:YAGレーザーは、生物学的用途の光ピンセットを作るためによく使われます。これは、Nd:YAGレーザーが主に1064nmの波長で放射するからです。生物学的サンプルは通常、大部分が水で構成されているため、この波長での吸収係数は低くなります。 ^[37]そのため、Nd:YAGレーザーを使用すると、研究対象の生物学的サンプルへのダメージが最小限に抑えられます。

日本の自然科学研究所の研究者らは、スパークプラグの代わりにYAGチップを使ってエンジン内の燃料に点火するレーザー点火装置を開発している。^{[38] [39]}レーザーは800ピコ秒の長いパルスを数回使って燃料に点火し、より速く均一な点火を実現する。研究者らは、このような点火装置は有害な排出物を減らし、性能と燃費を向上させることができると述べている。

Nd:YAG レーザーは、レーザー指示装置やレーザー距離計で使用される最も一般的なレーザーです。

イラン・イラク戦争中、イランの兵士は戦車の測距儀を含むイラクのさまざまなレーザー光線により4000件以上のレーザー眼損傷を被った。Nd:YAGの1064nmの波長は目に見えず、最初の照射では痛みがないため、特に危険であると考えられている。^[40]

中国のZM-87盲目化レーザー兵器はこのタイプのレーザーを使用しているが、特定通常兵器使用禁止制限条約により禁止されているため、22個しか生産されていない。北朝鮮は2003年にアメリカのヘリコプターに対してこの兵器の1つを使用したと報告されている。^{[41] [42]}

Nd:YAGは、光吸収物質の濃度を測定するために使用されるキャビティリングダウン分光法の用途に使用されることがある。 ^[43]

周期表の元素の分析には、さまざまな Nd:YAG レーザーが使用されています。この用途自体は、XRF や ICP などの従来の方法に比べてかなり新しいものですが、元素濃度をテストするのに時間がかかりにくく、安価なオプションであることが証明されています。高出力の Nd:YAG レーザーをサンプル表面に集光してプラズマを生成します。プラズマからの光は分光計によって捕捉され、各元素の特徴的なスペクトルが識別され、サンプル内の元素の濃度を測定できます。^{[引用が必要]}

Nd:YAGレーザーは、主に第2高調波と第3高調波を介して、液体^[44]または固体^[45]の色素レーザーを励起するために広く使用されています。また、 Cr4 ⁺ :YAG などの振動広がり固体レーザーのポンプ源として、または第2高調波を介してTi:サファイアレーザーをポンピングするためにも使用されます。

多くの用途では、赤外光はリチウムトリボレートなどの非線形光学材料を使用して周波数が2倍または3倍にされ、可視光（532 nm、緑）または紫外線が得られます。 ^[46]セシウムリチウムボレートは、Nd：YAG 1064 nm基本波長の4次および5次高調波を生成します。^[47]緑色レーザーポインターは、周波数が2倍になったNd：YVO ₄ダイオード励起固体レーザー（DPSSレーザー）です。^[48] Nd：YAGは、その非主波長でレーザーを発するようにすることもできます。946 nmの線は、通常、「青色レーザーポインター」DPSSレーザーで使用され、473 nmに2倍になります。^{[49] [50] [51]}

• 化学式: Y ₃ Al ₅ O ₁₂
• 分子量: 596.7
• 結晶構造: 立方晶
• 硬度：8～8.5（モース硬度）^[52]
• 融点: 1970 °C (3540 °F)
• 密度: 4.55 g/ ^cm3

• 化学式: Y _2.97 Nd _0.03 Al ₅ O ₁₂
• Ndの重量: 0.725%
• 単位体積あたりのNd原子数: 1.38×10 ²⁰ /cm ³
• Ndの電荷状態: 3 ⁺
• 発光波長: 1064 nm
• トランジション: ⁴ F _3/2 → ⁴ I _11/2
• 蛍光持続時間：230μs ^[52]
• 熱伝導率: 0.14 W·cm ⁻¹ ·K ⁻¹
• 比熱容量: 0.59 J·g ⁻¹ ·K ⁻¹
• 熱膨張率: 6.9×10 ⁻⁶ K ⁻¹
• dn /dT : 7.3 × ^{10−6K −} 1
• ヤング率: 3.17×10 ⁴ K·g/mm ⁻²
• ポアソン比: 0.25
• 耐熱衝撃性: 790 W·m ⁻¹

• ジーグマン、アンソニー E. (1986)。レーザー。大学の科学書。ISBN 978-0-935702-11-8。
• ケヒナー、ウォルター (1988)。固体レーザー工学(第 2 版)。Springer- Verlag。ISBN 978-3-540-18747-9。