The rapid developments in optical and electronic technologies have accelerated developments of solid state laser technology. The diode-pumped solid state laser has the merits of the diode laser, such as compactness, low cost, and the merits of the solid state laser, such as high laser quality, high conversion efficiency, long lifetime, and simple structure. In addition, the diode-pumped solid state lasers have made it a feature star among lasers. One of the problems in solid state laser is the heat removal. The crystal fiber is used as the laser gain medium in this work to be able to reduce largely the volume of solid-state laser, and improve the heat disappearance. There are many different methods to grow crystal fibers, LHPG method one of the best because single crystal fibers can be grown with small diameters at very fast rate, and accurate control. We have gown high quality Nd:YAG crystal fiber with diameter of 23~285 mm. After cladding, grinding, polishing, and coating, we could ready to fabricate the Nd:YAG crystal fiber laser. We have successfully implemented diode-laser pumped Nd:YAG crystal fiber laser. The lasing threshold power is 143 mW, and the maximum output power is 38 mW. In the feature, we shall improve the cooling system, the cladding, and coating to further increase the conversation efficiency and output power.

Abstract The rapid developments in optical and electronic technologies have accelerated developments of solid state laser technology. The diode-pumped solid state laser has the merits of the diode laser, such as compactness, low cost, and the merits of the solid state laser, such as high laser quality, high conversion efficiency, long lifetime, and simple structure. So, it has been applied in electronics, communication and medicine widely. In this work, the crystal fiber was used as the laser gain medium, and coated with optical thin film at its end facets as the laser cavity to be able to reduce largely the volume of solid-state laser, and improve the heat dissipation. We used laser heated pedestal growth (LHPG) method to grow crystal fiber, which can grow with small diameters at very fast rate and accurate control. High quality Nd:YAG crystal fibers with diameter of 23~285 mm were grown. After cladding, grinding, polishing, and coating, we successfully fabricated the Nd:YAG crystal fiber laser. We discovered that the gradient concentration of Nd ions distributed over the cross section of crystal fiber is helpful in focusing lights. We have successfully implemented diode-laser pumped Nd:YAG crystal fiber laser with a slope efficiency of 28.9%. It is the best result up to this time as we know. The maximum output power is 80 mW. In the future, we shall improve the cooling system, the cladding, and coating to further increase the conversion efficiency and output power.

The views expressed in this thesis are those of the author and do not relfect the offical policy or position of the Department of Defense or the U.S. Government. / Previous modifications were made to the Naval Postgraduate School (NPS) Lidar System to enable comparison of lidar returns with radiosonde vertical profiles. Inaccuracies due to flexing of the lidar mounting structure limited observation of correlation between lidar and balloon data. Reconstruction with anew telescope and integral mounting now provides stable overlap of laser illumination and receiver field-of-view while maintaining eye safety. This revised system permits more measurement of profile correlation. Both day and night lidar measurement series have been compared with concurrent radiosonde launches in the Monterey Bay area. Maximum ranges from clouds greater than 3500 meters by day and greater than 5000 meters by night have been achieved. Within this range comparison can be made with moderate accuracy with the temperature and pressure profile boundary layer ceiling. Recommendations are made for future enhancement of sensitivity of correlation.

As ligas de Al-Si são amplamente utilizadas na indústria em substituição ao aço e o ferro fundido nos setores de alta tecnologia. A importância comercial dessas ligas deve-se principalmente ao seu baixo peso, excelente resistência à abrasão e à corrosão, alta resistência em temperaturas elevadas, baixo coeficiente de expansão térmica e menor consumo de combustível que proporciona redução considerável de emissão de poluentes. No presente trabalho, uma liga de Al-Si utilizada na indústria automobilística para fabricação de pistões de motores de combustão interna, foi submetida a tratamentos superficiais de refusão a LASER (Nd:YAG, λ = 1,06 m, modo pulsado). A radiação laser possibilita diversas concentrações de energia com precisa transferência dela para o material sem contato físico. A transferência intensa de energia provoca a ocorrência de modificações estruturais na camada superficial do material. Experimentos com pulsos únicos e trilhas foram realizados sob diferentes condições de processamento LASER com o intuito de analisar as mudanças microestruturais resultantes dos tratamentos e seus efeitos sobre a dureza. Para a caracterização da camada endurecida foram utilizadas as seguintes técnicas: microscopia óptica (MO), microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia por energia dispersiva (EDS), mapeamento de raios-X, ensaios de microdureza Vickers e de rugosidade máxima. Após os tratamentos superficiais de refusão a LASER da liga Al-Si, a alta taxa de resfriamento resultante causou mudança na microestrutura devido ao refinamento das partículas de silício eutético primário presentes na liga, resultando em aumento de dureza. / The Al-Si alloys are widely used in industry to replace the steel and gray cast iron in high-tech sectors. The commercial importance of these alloys is mainly due to its low weight, excellent wear (abrasion) and corrosion resistance, high resistance at elevated temperatures, low coefficient of thermal expansion and lesser fuel consumption that provide considerable reduction of emission of pollutants. In this work, Al-Si alloy used in the automotive industry to manufacture pistons of internal combustion engines, was undergone to surface treatments using LASER remelting (Nd:YAG, λ = 1.06 m, pulsed mode). The LASER enables various energy concentrations with accurate transfer to the material without physical contact. The intense energy transfer causes the occurrence of structural changes in the superficial layer of the material. Experiments with single pulses and trails were conducted under various conditions of LASER processing in order to analyze microestrutural changes resulting from treatments and their effects on the hardness. For the characterization of hardened layer was utilized the following techniques: optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectroscopy (EDS), x-ray mapping, Vickers microhardness and maximum roughness tests. The high cooling rate caused a change in the alloy structure due to the refinement of the primary eutectic silicon particles, resulting in increase of the mechanical properties (hardness) of the Al-Si alloy.

Desde o desenvolvimento do laser pelo norte-americano Theodore Harold Maiman em 1960, inúmeras pesquisas têm sido realizadas com o objetivo de avaliar os efeitos sobre os tecidos dentais, principalmente os relacionados com o aumento de temperatura no interior da câmara pulpar. Esta pesquisa foi desenvolvida com o objetivo de avaliar a variação de temperatura em amostras de esmalte/dentina e dentina, após irradiação com os lasers de Nd:YAG, Er:YAG (Kavo KEY Laser®) e Er:YAG (Kavo KEY Laser® 3), através de análise com termômetro de radiação infravermelha. Foram selecionados 110 terceiros molares isentos de cárie, obtidos através do Banco de Dentes Permanentes Humanos que pertence à Faculdade de Odontologia da Universidade de São Paulo e o projeto de pesquisa foi aprovado pelo Comitê de Ética em Pesquisa (CEP) com o parecer nº44/03. As coroas foram separadas das raízes por meio de um disco de carborundum e todas as coroas foram totalmente incluídas no interior de um tubo de PVC com resina transparente. Os cortes foram realizados no aparelho de corte Labcut, paralelamente ao longo eixo das coroas, no sentido mésio-distal, para obter 750 amostras, com 5 diferentes espessuras (1mm, 2mm, 3mm, 4mm e 5mm), sendo 350 amostras de esmalte/dentina e 400 amostras de dentina. Foi utilizado um termômetro de radiação infravermelha (MINIRAY 100 XL) para medição da variação de temperatura nos dois lados das amostras (frente e atrás), irradiadas em diferentes condições e parâmetros com os lasers de Nd:YAG, Er:YAG (Kavo KEY Laser®) e Er:YAG (Kavo KEY Laser® 3). Os resultados obtidos com todos os lasers e parâmetros demonstraram que a associação refrigeração + espessura das amostras foi estatisticamente significante, quanto à redução da variação de temperatura em comparação à associação ausência de refrigeração + espessura das amostras. Houve uma diminuição da variação da temperatura estatisticamente significante de acordo com as espessuras das amostras irradiadas sem refrigeração, porém não o suficiente para evitar grandes elevações de temperatura. No geral, as variações das temperaturas foram sempre maiores no lado da frente das amostras, independente do uso ou não de refrigeração. Para o laser de Nd:YAG, houve menores variações de temperatura, estatisticamente significante, nos grupos irradiados sem contato e sem a presença da tinta nanquim, independente da presença ou não de refrigeração. / The laser was developed in 1960 by Theodore Harold Maiman and many researches have been carried out with the aim to evaluate the effects on the dental tissues, mainly the effects related to the increase of temperature inside the pulp chamber. This research was developed with the purpose of evaluating the variance in temperature of the enamel/dentin and dentin samples after irradiation with Nd:YAG, Er:YAG (Kavo KEY Laser®) and Er:YAG (Kavo KEY Laser® 3) and an analysis with the infrared radiation thermometer was done. A hundred and ten teeth without dental caries were selected and obtained from the Human Permanent Teeth Bank that belongs to the Odontology College of the University of São Paulo and this research has been approved by the Ethic Research Committee (CEP), as the document n° 44/03 attests. The roots were separated from the crowns with the carburundum disc; all crowns were totally inserted inside a PVC tube with transparent resin and they were cut axially in the Labcut machine, in the mesio-distal way, to obtain 750 samples with five different thickness (1mm, 2mm, 3mm, 4mm e 5mm), 350 enamel/dentin samples and 400 dentin samples. An infrared radiation thermometer (MINIRAY 100XL) was used to measure the variance in temperature in both sides of the samples (front and behind), irradiated in different conditions and parameters with the Nd:YAG, Er:YAG (Kavo KEY Laser®) and Er:YAG (Kavo KEY Laser® 3). The results showed that the association of the refrigeration + samples’ thickness was statistically significant in the reduction of the variance in temperature when compared to the association of the refrigeration absence + samples’ thickness. There was a statistically significant reduction of the variance in temperature according to the the samples’ thickness irradiated without refrigeration, although it wasn’t enough to avoid high temperature increase. In general, the variance in temperature was always higher in the front of samples, whether there was refrigeration or not. For the Nd:YAG laser, there was a lower variance in temperature, statistically significant, in the groups that were irradiated without contact and black ink, whether there was refrigeration or not.

A operação dinamicamente estável com zonas conjuntas foi obtida para um ressonador laser contendo dois bastões de Nd:YAG com módulos laser comerciais. O ressonador não polarizado gerou 115 W de potência no modo transversal fundamental TEM00. Quando polarizado por lâmina de Brewster atingiu 100,5W de potência de saída com 91% de polarização. Quando o ressonador foi polarizado com um polarizador de filme fino, obteve-se melhora na qualidade de feixe e um aumento na polarização, com o valor de M2 sendo 1,56 e 1,84 nas direções x e y respectivamente com 95,4% de polarização. A potência de saída foi, ao nosso conhecimento, a mais alta obtida para lasers polarizados operando no modo fundamental e usando módulos lasers comerciais de Nd:YAG bombeados lateralmente por diodos sem nenhuma preparação especial. / Dynamically stable operation with joined stability zones of a linearly polarized resonator is shown for a laser containing two diode side-pumped Nd:YAG rods with commercial laser modules. The unpolarised resonator provided 115 W of TEM00 output. When polarized by a Brewster plate, it reached 100.5 W of output power with 91% polarization. When the resonator was polarized by a thin film polarizer, an increase in beam quality was obtained with M2 values of 1.56 and 1.84 in the x and y directions, respectively with 95.4% polarization. The output power achieved is, to our knowledge, the highest reported for polarized, fundamental-mode lasers using commercial, diode side-pumped Nd:YAG modules without any special preparation.

Quando os túbulos dentinários ficam expostos ao meio bucal, sendo a erosão o principal fator etiológico, estímulos aplicados na dentina provocam movimentação rápida do fluido desencadeando a hipersensibilidade dentinária. O objetivo desse estudo foi avaliar, através modelo crossover 2x2 in situ, se o efeito da irradiação a laser seria capaz de controlar a permeabilidade da dentina radicular erodida submetida a subseqüentes desafios erosivos. Fragmentos de dentina (3x3 mm) foram ciclado por desafio erosivo (ácido cítrico 0.3%, 2h) para induzir lesões erosivas, seguido por um período de remineralização em saliva artificial (24 h). Os espécimes foram irradiados com laser de Nd:YAG (1W/15Hz) ou Er:YAG (100mJ/3Hz) ou não irradiado. Doze voluntários participaram utilizando dispositivos intra-oral, em duas fases de 5 dias cada. No primeiro período, metade dos voluntários expôs os espécimes a episódios erosivos, enquanto a outra metade não expôs a nenhum tipo de desafio. Seguido de um período de 2 dias de washout, os voluntários submeteram os espécimes ao procedimento alternado. No final de cada fase, os espécimes foram removidos e preparados para avaliação da permeabilidade. Após a coloração com soluções de sulfato de cobre e ácido rubêanico, os espécimes foram seccionados e digitalizados sob microscopia óptica A permeabilidade relativa foi quantificada através da relação entre a profundidade de penetração de íons cobre e a espessura da dentina. ANOVA e o teste de Tukey demonstraram que o grupo não irradiado exposto a desafios subseqüentes produziu os maiores valores de permeabilidade (Er:YAG: 4,2%a; Nd:YAG: 4,6%a; Ct: 14,6%b). Os resultados obtidos mostraram que os lasers podem controlar a progressão da erosão na dentina radicular. / When the dentinal tubules are exposed to the oral environment, the erosion the main etiological factor, stimuli applied to the dentin causing rapid movement of the fluid causing the hypersensitive dentin. The aim of this investigation was to evaluate, through a crossover 2x2 in situ trial, whether the effect of laser irradiation would be capable to control the permeability of eroded root dentin subjected to further acid challenges. Dentin slabs (3x3 mm) were cycled through erosive challenges (0.3% citric acid 2h) to induce erosion-like lesions, followed by a remineralizing period in artificial saliva (24 h). Specimens were laser-irradiated with Nd:YAG (1W/15Hz) or Er:YAG (100mJ/3Hz) or nonirradiated. Twelve volunteers participated using intraoral devices, in two phases of 5 days each. In the first period, half of participants exposed the specimens to erosive episode, while the other half did not perform any erosive challenge. Followed a 2-day washout period, volunteers submitted the slabs to the alternative procedure. In the end of each phase, specimens were prepared for permeability evaluation. After staining with solutions of copper sulfate and rubianic acid, the specimens were sectioned and scanned under light microscopy. Relative permeability was quantified by the relationship between the depth of penetration of copper ions and the thickness of dentin. ANOVA and Tukey´s test demonstrated that the nonirradiated group exposed to further erosion episodes produced the highest permeability (Er:YAG: 4,2%a; Nd:YAG: 4,6%a; Ct: 14,6%b). The obtained results showed that lasers can control the erosion progression in root dentin.

Um requisito do processo de manufatura é a necessidade de se obter peças processadas, caracterizadas pela boa qualidade de acabamento superficial, baixa rugosidade e a conservação de suas propriedades metalúrgicas. Essas condições motivaram o desenvolvimento deste estudo, no qual selecionou-se o processamento de materiais a laser para o corte do titânio, unindo uma tecnologia a um metal de recente aplicação. Além disso, a versatilidade e as vantagens, como também a tendência global do setor industrial, tornaram-se fatores preponderantes na utilização do laser como ferramenta de usinagem. Neste presente trabalho foram investigados os efeitos da usinagem por laser pulsado de Nd:YAG sobre a qualidade, como também a formação de fases na superfície de corte e analisados pela aplicação do planejamento experimental. Para isso, chapas de titânio comercialmente puro (grau 2) e da liga Ti-6Al-4V (grau 5), com espessuras de 0,5 e 1,0 milímetros, foram empregadas na realização dos ensaios sob ação do laser. As amostras obtidas foram analisadas por microscopia ótica (MO), microscopia eletrônica por varredura (MEV), ensaios de microdureza e inspeção superficial da rugosidade. Capturaram-se digitalmente as imagens do material ressolidificado, aderido na superfície de corte para determinação da formação de rebarbas. Com base nestes dados construíram-se arranjos fatoriais, por meio da metodologia de planejamento experimental (DOE), a fim de avaliar o grau de influência dos parâmetros e suas possíveis interações e assim averiguar sua significância estatística. Verificou-se um endurecimento superficial na região do corte a laser com nitrogênio, em virtude da formação de nitretos (TiN) sob uma fina camada da zona de ressolidificação. Apesar da complexidade das interações entre os diversos parâmetros envolvidos no processamento a laser, os resultados corroboram que a otimização do processo de corte a laser do titânio pode ser factível. / The main goal of this work was to establish the requirements for laser processed parts to satisfy uniform surface finish, low roughness and preservation of the mechanical and functional properties of the parts. Lasers became a versatile machining tool that satisfies the modern trends in material processing. In this study, the cutting quality factors of sheets of pure titanium and its alloys, by pulsed Nd:Yag laser, were investigated according to the Design and Analysis of Experiments. Laser pulse energy, laser pulse length, pressure of the protective/reactive gas, cutting speed, were considered the key laser parameter processing factors. In this Design, a factorial arrangement, regarding several combinations of these different processing factors, was performed and the influence of each one was also taken into consideration. The cutting process was performed on commercially pure titanium (grade 2) and the alloy Ti-6Al-4V (grade 5) sheets. The obtained samples were analyzed through optical microscopy in order to determine the edge roughness formations. The samples were also analyzed by scanning electron microscopy and submitted to micro hardness tests and surface roughness inspections. An increase on the surface hardness on the cut region and the formation of nitrogen precipitates under a thin layer of a melted zone were verified. In spite of the complexity of the interactions between this diversity of parameters, it is possible to optimize the titanium laser cutting.

Ce travail porte sur l’élaboration de céramiques transparentes composites à base de grenats d’yttrium et d’aluminium (Nd:YAG) avec différents ratios stœchiométriques (Nd+Y)/Al compris entre 0,40 et 0,70, autour du ratio correspondant à la composition stœchiométrique du Nd:YAG ((Nd+Y)/Al = 0,6000) par frittage-réaction sous vide. La mise en forme a été effectué par coulage sous pression de suspensions stables et homogènes de mélanges Al2O3-Y2O3-Nd2O3. L’étude des propriétés microstructurales, thermiques et optiques de ces céramiques a permis de mettre en évidence l’influence du ratio (Nd+Y)/Al sur les cinétiques de formation de la phase grenat et de densification du matériau ainsi que sur leurs propriétés optiques. Ainsi, il apparaît que pour des céramiques avec un ratio supérieur à 0,6000, correspondant à un matériau enrichi en yttrium, les cinétiques précédemment évoquées sont diminuées mais les propriétés de transparence et lasers apparaissent moins dégradées, contrairement au cas de céramiques enrichies en aluminium ((Nd+Y)/Al < 0,6000). De plus, l’étude de mélanges pulvérulents Nd:YAP-Al2O3 a permis de mettre en évidence un mécanisme de formation de la phase Nd:YAG suggérant l’existence d’une réaction solide-gaz avec évaporation-condensation de la phase réactive aluminée. Enfin, la faisabilité de céramiques de Nd:YAG à haut taux de dopage (4 % at.) a permis de montrer l’intérêt de ces matériaux dans la génération de propriétés optiques non linéaires du troisième ordre, particulièrement le phénomène d’autofocalisation de faisceaux lumineux par effet Kerr. / This work is devoted to the elaboration of yttrium and aluminum garnets-based transparent composite ceramics with different (Nd+Y)/Al stoichiometric ratios ranged from 0.40 to 0.70, around the ratio corresponding to the Nd:YAG stoichiometric composition ((Nd+Y)/Al = 0.6000) by under-vacuum reactive-sintering. Pressure-casting of stable and homogeneous suspensions of mixing Al2O3-Y2O3-Nd2O3 was achieved. Study of microstructural, thermal and optical properties of these ceramics has made it possible to highlight the influence of (Nd+Y)/Al ratio on garnet phase formation and densification kinetics, and on optical properties. Thus, it appears that for ceramic with a ratio higher than 0.6000, corresponding to an yttrium-rich sample, the previously mentioned kinetics are decreased but transparence and lasers properties are less degraded, contrary to aluminum-rich ceramics ((Nd+Y)/Al < 0.6000). Moreover, study of Nd:YAP-Al2O3 powders mixing brings out Nd:YAG phase formation mechanism, suggesting the existence of solid-gas reaction with evaporation-condensation of aluminum-rich reactive phase. Finally, feasibility of Nd:YAG ceramics with high dopant content (4 at. %) has shown the interest of these materials in order to generate third-order nonlinear optical properties, especially self-focusing phenomenon of light beams by Kerr effect.

O trabalho experimental aqui apresentado tem como foco o desenvolvimento de um laser de estado sólido cujo desempenho foi otimizado de tal forma que contemple alta potência, alta qualidade de feixe e estabilidade, levando-se em conta os efeitos térmicos sofridos pelo meio ativo em regime de alta potência de bombeamento. Foram testadas cavidades para operação contínua em multimodo com alta potência de saída e cavidades operando em modo único TEM00. Para cavidades operando no modo fundamental, os ressonadores testados serão divididos em grupos de acordo com o seu comportamento no diagrama de estabilidade. A otimização de tais ressonadores foi realizada apenas alterando-se o raio de curvatura dos espelhos de entrada e saída e suas respectivas distâncias ao plano principal do bastão de Nd:YAG. Como resultado foi alcançada a maior eficiência de extração reportada na literatura para um ou dois módulos de Nd:YAG intracavidade. Os resultados dão uma visão geral sobre possíveis projetos de ressonadores para operação dinamicamente estável, com alta potência de saída e qualidade de feixe. Os dados obtidos servem como base para o desenvolvimento de novos lasers de alta potência e eficiência baseados em módulos DPSSL (Diode-Pumped Solid-State Lasers- Lasers de Estado Sólido Bombeados por Diodo) de baixo custo. / The experimental work presented here focuses on the development of a solid-state laser whose performance has been optimized for high power output, high beam quality, and high stability, taking into account the thermal effects experienced by the gain medium under high pumping power. Cavities for continuous wave (CW) operation in multimode with high output power and cavities operating in single mode TEM00 were tested. The resonators will be divided in groups according to their stability diagram. The optimization of such resonators was performed only by changing the curvature radius of the mirrors and their distances to the principal plane of the Nd:YAG rod. As a result was achieved the highest extraction efficiency reported in the literature for one or two intra cavity Nd:YAG modules. The results give an overview of possible designs of resonators for dynamically stable operation with high output power and beam quality. The data serve as basis for the development of new high-power lasers based on low cost DPSSL modules.