Nd:YAGレーザーは、ネオジムをドープしたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（YAG）結晶の誘導放出の原理で動作する。フラッシュランプまたはダイオードレーザーで励起されると、結晶中のネオジムイオンが高いエネルギー状態に励起されます。これらのイオンが基底状態に戻ると、1064nmの光子を放出し、コヒーレントな高強度赤外線ビームが生成される。この波長は、水やメラニンによる吸収を最小限に抑えながら、組織の奥深くまで浸透するため、医療や産業用途に汎用性がある。このレーザーは、表面的な治療用に周波数を2倍の532nmにすることもできる。その効率、精度、適応性は、YAG結晶とネオジムドーパントのユニークな特性に由来する。
キーポイントの説明
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レーザー媒体の構成
- コアコンポーネントは合成 NDヤグレーザーマシン 結晶（Y₃Al₅O₁₂）にネオジム（Nd³⁺）イオンをドープしたもの。
- ネオジムは結晶格子中でイットリウムイオンと置換し、光増幅のための活性中心を作る。
- 例典型的なNd:YAGロッドは、最適な性能を得るために重量比で～1％のネオジムを含んでいる。
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励起メカニズム
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光ポンピングは、以下を使用してNd³⁺イオンを励起します：
- フラッシュランプ（広スペクトル光、低効率）
- ダイオードレーザー（ターゲット波長808nm、高効率）
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光ポンピングは、以下を使用してNd³⁺イオンを励起します：
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エネルギー準位遷移
- Nd³⁺イオンがポンプ光を吸収し、励起状態（⁴F₅/₂, ⁴F₃/₂）にジャンプする。
- 非放射減衰は準安定⁴F₃/₂準位（寿命～230μs）に入射する。
- 1064 nm（⁴F₃/₂→⁴I₁/₂遷移）で誘導放出が起こり、レーザービームが生成される。
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波長汎用性
- 基本出力：1064 nm（赤外、組織深部への浸透）。
- KTP結晶による周波数倍増：532 nm（緑色、血管・色素病変用）。
- 医療に例えるとメス（532nm）と深部組織プローブ（1064nm）のどちらかを選ぶようなもの。
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パルス動作のためのQスイッチング
- 光シャッターを使ってエネルギーを蓄積し、10ナノ秒未満のパルスで放出する。
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最大ギガワットのピークパワーを実現：
- タトゥー除去（インク粒子の機械的破砕）
- 精密機械加工（熱影響部なしで金属を蒸発させる）
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熱および光学特性
- 水/メラニンによる吸収が低いため、他のレーザーよりも深い浸透（5～10mm）が可能。
- YAG結晶の高い熱伝導率（14 W/m・K）により、動作中の熱レンズ現象を防止します。
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波長別アプリケーション
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1064 nm:
- 産業用溶接、穴あけ（航空宇宙タービンブレードなど）
- 医療：脱毛、深部血管病変
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532 nm:
- 皮膚科ポートワインの染み、そばかす
- 眼科網膜光凝固
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1064 nm:
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安全性への配慮
- 目に見えないビームを照射するため、位置合わせに赤外線ビューアーが必要。
- 組織貫通深度は、付随的損傷を避けるために正確な制御が必要。
材料科学と量子物理学の組み合わせにより、精密製造と低侵襲医療の両方に革命をもたらしたツールが誕生しました。Nd:YAGの適応性は、レーザー支援薬物送達から宇宙ベースの通信に至るまで、技術革新を推進し続けています。
要約表
| 主な側面 | 詳細 |
|---|---|
| レーザー媒質 | ネオジム添加YAG結晶（Y₃Al₅O₁₂格子中のNd³⁺イオン） |
| 励起方式 | フラッシュランプ（広帯域）またはダイオードレーザー（808nm、より高効率） |
| 一次波長 | 1064 nm（深い透過） |
| 周波数倍増出力 | 532 nm (表面治療) |
| 主な用途 | 脱毛、タトゥー除去、精密溶接、血管病変治療 |
| 安全性 | 赤外線ビューアーが必要、深い浸透には精密な制御が必要 |
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