Nd:YAGレーザーの活性材料は、ネオジム（Nd³⁺）イオンがドープされたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（YAG）からなる合成結晶である。この組み合わせにより、レーザーの利得媒質となる「ネオジム添加イットリウム・アルミニウム・ガーネット」（Nd:YAG）結晶が作られる。通常フラッシュランプやレーザーダイオードによって光学的に励起されると、ネオジムイオンは1064nmの赤外光を放出します。この波長は、他のレーザータイプに比べて組織への浸透が深く（5～10mm）、水の吸収が少ないことで知られています。このため、ネオジム:YAGレーザーは、精度と出力が重要な医療、産業、軍事用途で特に重宝されています。
キーポイントの説明
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結晶組成
- ベース材料イットリウム・アルミニウム・ガーネット（Y₃Al₅O₁₂）、合成結晶構造
- ドーパントネオジムイオン（Nd³⁺）が、格子中のイットリウムイオンの～1％を置換する。
- YAGホストが熱的／機械的安定性を提供し、ネオジムが発振を可能にする。
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発振メカニズム
- ポンプ光源（フラッシュランプ／ダイオード）によって励起されると、Nd³⁺電子はより高いエネルギー状態にジャンプする。
- 電子が低い状態に戻ると、波長1064nmの光子を放出する。
- これは、4準位エネルギー系を通して起こり、効率的なポピュレーション反転を可能にする。
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主な特性
- 一次発光：波長1064nmの赤外光（人間の目には見えない）
- 二次発光：946 nm、1123 nm、1319 nmでも発光可能
- 高いピークパワー能力（パルス動作でメガワット）
- TEM₀₀モードコモンによる優れたビーム品質
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性能上の利点
- 熱伝導率：～14 W/m・K（ガラスホストより良好）
- 高い損傷しきい値：高出力での光学的劣化に強い
- 長い上部状態寿命（～230 μs）、Qスイッチングのエネルギー貯蔵が可能
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製造上の考慮点
- Czochralski成長法により高品質の単結晶が得られる。
- 典型的なNd³⁺ドーピング濃度：0.5～1.5原子
- ロッドの寸法は用途によって異なる（例：直径3～10mm、長さ50～150mm）
このような少量のネオジム（わずか～1％）で、どうしてこのようなレーザーに電力を供給できるのか不思議に思ったことはありませんか？その秘密は、ネオジムイオンが互いの励起状態を消光するのを防ぐ、YAG結晶の剛性構造内での効率的なエネルギー移動にあります。ドーパント濃度と結晶純度の間のこの微妙なバランスが、Nd:YAGをこれまでに開発された中で最も汎用性の高いレーザー材料の一つにしている。
総括表
| 側面 | 詳細 |
|---|---|
| ベース材料 | イットリウム・アルミニウム・ガーネット（Y₃Al₅O₁₂）合成結晶 |
| ドーパント | ネオジムイオン（Nd³⁺）濃度～1 |
| 一次発光 | 1064 nmの赤外光（組織深部まで浸透） |
| 主な利点 | 高い熱伝導性、損傷しきい値、ビーム品質 |
| 用途 | 医療美容、工業用切断、軍事システム |
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