Nd:YAG 레이저의 활성 물질은 네오디뮴(Nd³⁺) 이온이 도핑된 이트륨 알루미늄 가넷(YAG)으로 구성된 합성 결정체입니다. 이 조합은 레이저의 이득 매체 역할을 하는 "네오디뮴 도핑 이트륨 알루미늄 가넷"(Nd:YAG) 결정을 생성합니다. 일반적으로 플래시 램프나 레이저 다이오드를 통해 광학적으로 펌핑하면 네오디뮴 이온은 다른 레이저 유형에 비해 깊은 조직 침투(5~10mm)와 수분 흡수 감소로 알려진 파장인 1064nm에서 적외선을 방출합니다. 이 때문에 Nd:YAG 레이저는 정밀도와 파워가 중요한 의료, 산업, 군사 분야에서 특히 유용합니다.
핵심 포인트 설명:
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결정 구성
- 기본 재료: 이트륨 알루미늄 가넷(Y₃Al₅O₁₂), 합성 결정 구조
- 도펀트: 네오디뮴 이온(Nd³⁺)은 격자 내 이트륨 이온의 ~1%를 대체합니다.
- YAG 호스트는 열적/기계적 안정성을 제공하는 반면 네오디뮴은 레이저를 가능하게 합니다.
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레이저 메커니즘
- 펌프 소스(플래시램프/다이오드)에 의해 여기되면 Nd³⁺ 전자는 더 높은 에너지 상태로 점프합니다.
- 전자가 낮은 상태로 돌아오면 1064nm 파장에서 광자를 방출합니다.
- 이는 4단계 에너지 시스템을 통해 발생하여 효율적인 인구 반전을 가능하게 합니다.
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주요 속성
- 1차 방출: 1064nm 적외선(사람의 눈에는 보이지 않음)
- 보조 라인: 946nm, 1123nm, 1319nm에서도 레이저 방출 가능
- 높은 피크 전력 성능(펄스 작동 시 메가 와트)
- TEM₀₀ 모드 공통으로 뛰어난 빔 품질 제공
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성능 이점
- 열 전도성: ~14W/m-K(유리 호스트보다 우수)
- 높은 손상 임계값: 높은 전력에서 광학 성능 저하 방지
- 긴 상부 상태 수명(~230μs)으로 Q-스위칭을 위한 에너지 저장 가능
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제조 고려 사항
- 조크랄스키 성장법으로 고품질 단결정 생산
- 일반적인 Nd³⁺ 도핑 농도: 0.5-1.5 원자 %
- 로드 치수는 애플리케이션에 따라 다릅니다(예: 직경 3-10mm, 길이 50-150mm).
이렇게 적은 양의 네오디뮴(~1%에 불과)으로 어떻게 레이저를 구동할 수 있는지 궁금한 적이 있으신가요? 그 비밀은 네오디뮴 이온이 서로의 여기 상태를 소멸시키는 것을 방지하는 YAG 결정의 견고한 구조 내에서 효율적인 에너지 전달에 있습니다. 도펀트 농도와 결정 순도 사이의 이 섬세한 균형 덕분에 Nd:YAG는 지금까지 개발된 레이저 재료 중 가장 다재다능한 레이저 재료 중 하나입니다.
요약 표:
| 측면 | 세부 정보 |
|---|---|
| 기본 재료 | 이트륨 알루미늄 가넷(Y₃Al₅O₁₂) 합성 결정 |
| 도펀트 | 네오디뮴 이온(Nd³⁺), ~1% 농도 |
| 주요 방출 | 1064nm 적외선(심부 조직 투과) |
| 주요 장점 | 높은 열 전도성, 손상 임계값 및 빔 품질 |
| 응용 분야 | 의료 미용, 산업 절단, 군사 시스템 |
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