Nd:YAGレーザー

|K WONG

Nd:YAGレーザー（ネオジム添加イットリウム・アルミニウム・ガーネットレーザー）は、広く使用されている固体レーザーの一種です。活性利得媒質はネオジムイオン（Nd3+）を添加した人工結晶（YAG）で、このネオジムイオンが結晶構造内のイットリウムイオンの一部を置換しています。最も一般的には、近赤外域の1064 nmの波長で発光しますが、他の波長で発光するように構成することもできます。

動作原理

Nd:YAGレーザーは4準位レーザーシステムとして動作するため、レーザー発振に必要な反転分布を高効率で形成できます。

  1. 励起： 外部光源（「ポンプ」）がNd:YAG結晶にエネルギーを注入します。ネオジムイオンはこの光を吸収し、基底状態からより高いエネルギーのポンプバンドへ励起されます。
  2. 無放射遷移： 励起イオンは光を放出せずに急速に遷移し、わずかに低い比較的安定した「準安定」状態になります。
  3. 誘導放出： 準安定状態では、低いエネルギー準位よりもイオンが長く保持されるため、「反転分布」が生じます。つまり、低い基底状態よりも励起状態にあるイオンの方が多くなります。イオンが最終的に低い準位へ遷移すると、光子を放出します。この光子が他の励起イオンを刺激して低い準位へ遷移させ、同一の光子を放出させることで、コヒーレント光の連鎖的な増幅が生じます。
  4. 最終緩和： イオンは下位レーザー準位から基底状態に戻り、再び励起できる状態になります。

物理構造

Nd:YAGレーザーの物理的構成は、3つの主要コンポーネントで構成されています。

  • 利得媒質: Nd:YAG結晶自体で、通常は円柱状のロッドまたは長方形のスラブに成形されています。
  • ポンプ光源: 結晶を励起するために使用される機構です。従来は、キセノンランプやクリプトンランプなどの広帯域フラッシュランプが使用されていました。より新しい高効率システムでは、レーザーダイオードが使用されます。これはDPSS（Diode-Pumped Solid State）と呼ばれます。
  • 光共振器（キャビティ）：結晶の両端に配置された2枚のミラーです。
    • 高反射ミラー（HR）：レーザー光の~100%を結晶内へ反射して戻すミラーです。
    • 出力結合器（OC）：特定の割合の光を最終的なレーザービームとして外部に取り出し、残りを反射して誘導放出を維持する部分反射ミラーです。

主要な光学指標

Nd:YAGレーザーの仕様決定または選定では、複数の重要な光学指標が考慮されます:
  • 主 波長： 1064 nm（近赤外域）。
  • 高調波波長： 1064 nmのビームを非線形光学結晶に通すことで、周波数を逓倍（波長を分周）し、532 nm（緑色）、355 nm（UV）、または266 nm（深紫外）を生成できます。
  • 動作モード： 定常ビームを出力する連続波（CW）またはパルス動作。
  • パルスエネルギー / ピーク出力: パルスレーザーでは、単一パルスで供給される実出力を示し、多くの場合メガワットに達します。
  • パルス持続時間（幅）: パルスが持続する時間で、ミリ秒からナノ秒、ピコ秒、さらにはフェムト秒までの範囲です。
  • ビーム品質（M2 係数）：レーザービームが理想的で完全なガウシアンビームにどの程度近いかを示します。M2 の値が1.0の場合は完全です。

分類と種類

Nd:YAGレーザーは通常、励起方式と光の出射方式によって分類されます：

  • ランプ励起とダイオード励起（DPSS）の比較: DPSSレーザーは、従来のフラッシュランプ励起モデルよりも小型でエネルギー効率が高く、優れたビーム品質を実現します。
  • 連続波（CW）： 途切れることのない連続的なレーザービームを出射します。
  • Qスイッチ： 共振器内の光スイッチで光を保持し、大量のエネルギーが蓄積された時点で、ピーク出力の高い極短パルスとして放出します（アブレーションやマーキングに最適）。
  • モード同期: 非常に高い繰り返し周波数で超短パルス（ピコ秒）を生成し、高精度の科学用途や微細加工に使用されます。

用途

高出力、汎用性、信頼性を備えたNd:YAGレーザーは、多くの産業で広く使用されています。

  • 工業製造： 金属およびプラスチックのレーザー切断、溶接、彫刻、マーキング。
  • 医療 & 美容： レーザー眼科手術（嚢切開術）、組織アブレーション、レーザーによる刺青除去。
  • 科学研究： 他の種類のレーザー（Ti:Sapphireレーザーなど）を励起する「ポンプ」光源として、また分光法で使用されます。
  • 軍事 & 防衛: レーザー距離計および目標指示システムに使用されます。

実用例：産業用レーザーマーキングシステム

鋼製自動車部品にシリアル番号を刻印する必要がある製造工場を想定します。このシステムでは、QスイッチDPSS Nd:YAGレーザーを使用します。

  1. 生成：レーザーダイオードがNd:YAG結晶を連続的に励起し、エネルギーを蓄積します。
  2. Qスイッチング: 内部Qスイッチは、最大エネルギーが蓄積されるまでレーザーの発振を抑制します。その後、瞬時に「開き」、局所的な1064 nm赤外光の100ナノ秒パルスを放出します。
  3. ビーム伝送 & 集光: ビームはビームエキスパンダーを通過し、高速でビームを走査する一組の電動ガルバノメーターミラー（ガルバノミラー）に入射します。最後に、Fシータ集光レンズがビームを鋼製部品上の微小スポットに集光します。
  4. 結果: 集光パルスの高いピーク出力によって鋼材表面のごく一部が気化し、周囲の金属を溶融または変形させることなくシリアル番号が永久に刻印されます。