Já alguma vez se perguntou porque é que os lasers são tão precisos e potentes? Ao contrário da luz normal, os lasers têm características únicas, tais como elevada direccionalidade, monocromaticidade, coerência e intensidade. Este artigo explora estas propriedades e as suas aplicações, desde instrumentos médicos até ao corte industrial. Mergulhe para descobrir como funcionam estes feixes fascinantes e o seu impacto na tecnologia e na ciência.
Uma fonte de luz típica emite luz que irradia em todas as direcções e diminui com o aumento da distância. Esta atenuação deve-se principalmente ao facto de a luz dessas fontes ser o resultado de uma multiplicidade de moléculas ou átomos no interior da fonte que emitem fotões de forma independente durante a radiação espontânea. Em contrapartida, os lasers amplificam os fotões incidentes através de emissão estimulada.
Devido aos diferentes mecanismos subjacentes à geração de lasers em comparação com as fontes de luz normais, os lasers apresentam características únicas não partilhadas com a luz convencional, que podem ser geralmente resumidas em quatro aspectos: direccionalidade, monocromaticidade, coerência e alta intensidade.
Os lasers emitem luz através de radiação estimulada; cada fotão mantém a mesma frequência, fase e estado de polarização que a luz incidente, tudo sob o controlo de um ressoador ótico. Este controlo permite que o feixe laser se propague estritamente ao longo do eixo do ressoador com um ângulo de divergência muito pequeno, aproximando-se do da luz paralela.
A elevada direccionalidade dos lasers é determinada pelo mecanismo de emissão estimulada e pela influência restritiva do ressoador ótico na direção do feixe de luz oscilante. Dados precisos mostraram que um feixe de laser emitido da Terra para a Lua, uma distância de aproximadamente 380.000 quilómetros, resulta num ponto de feixe na Lua com menos de 1000 metros de diâmetro.
Esta excelente direccionalidade conduziu à utilização generalizada de lasers para alcance, comunicação e posicionamento. A elevada direccionalidade dos lasers permite a transmissão eficaz a longas distâncias e a focalização em densidades de potência muito elevadas, ambas cruciais para processamento a laser.
A cor da luz é determinada pelo seu comprimento de onda. A largura entre os dois comprimentos de onda em que a intensidade é metade do máximo é normalmente definida como a largura da linha espetral. Quanto mais estreita for a largura da linha espetral, melhor será a monocromaticidade da luz. A luz visível é constituída por sete cores, cada uma com uma largura de linha espetral de 40 a 50 nanómetros.
A monocromaticidade dos lasers excede largamente a das fontes de luz normais. Por exemplo, a largura da linha espetral da luz vermelha emitida por um laser de hélio-neão é de apenas 10-8 nanómetros, o que é significativamente mais monocromático do que uma lâmpada de crípton. Alguns lasers especiais têm uma monocromaticidade ainda maior.
A monocromaticidade extremamente elevada dos lasers elimina virtualmente a dispersão cromática (a variação do índice de refração com o comprimento de onda) das lentes de focagem, permitindo que o feixe de luz seja focado com precisão no ponto focal, obtendo-se uma elevada densidade de potência. A excelente monocromaticidade dos lasers constitui uma ferramenta vantajosa para medições com instrumentos de precisão e para estimular determinadas reacções químicas em experiências científicas.
A coerência descreve principalmente as relações de fase entre diferentes partes de uma onda luminosa, englobando dois aspectos: coerência temporal e coerência espacial. No caso dos lasers, a distribuição espacial do campo luminoso é normalmente decomposta numa distribuição ao longo da direção de propagação (eixo da cavidade) E(z) e uma distribuição na secção transversal perpendicular à direção de propagação E(x, y).
Assim, os modos da cavidade laser podem ser divididos em modos longitudinais e transversais, representando as distribuições longitudinais e transversais do campo de luz dos modos da cavidade, respetivamente.
A coerência temporal de um laser refere-se às relações de fase entre pontos ao longo da direção de propagação do feixe. Em aplicações práticas, o tempo de coerência é frequentemente utilizado para descrever a coerência temporal de um laser. Quanto mais estreita for a largura da linha espetral, ou seja, quanto maior for a monocromaticidade, maior será o tempo de coerência.
Os lasers de gás de frequência estabilizada monomodo têm a melhor monocromaticidade, atingindo normalmente 106 a 1013 Hz; os lasers de estado sólido têm uma monocromaticidade mais fraca, principalmente porque a sua curva de ganho é larga, o que torna difícil assegurar o funcionamento em modo longitudinal único; os lasers de semicondutores têm a pior monocromaticidade.
O funcionamento em modo único (tecnologia de seleção de modo) e a estabilização da frequência são cruciais para aumentar a coerência. Um laser de modo transversal único estabilizado em frequência emite luz que está próxima de uma onda plana monocromática ideal, ou seja, totalmente coerente.
A coerência espacial de um laser é a relação de fase entre pontos num plano perpendicular à direção de propagação do feixe. Refere-se à escala em que a luz emitida pelo feixe pode convergir num ponto do espaço para formar padrões de interferência, e a coerência espacial está relacionada com a dimensão da fonte de luz.
Uma onda plana ideal é totalmente coerente em termos espaciais e tem um ângulo de divergência de zero. No entanto, na prática, devido aos efeitos de difração, o menor ângulo de emissão do feixe que pode ser obtido por um laser não pode ser inferior ao ângulo limite de difração ao passar pela abertura de saída.
Para melhorar a coerência espacial de um laser, é essencial, em primeiro lugar, restringir o funcionamento do laser a um único modo transversal; em segundo lugar, selecionar adequadamente o tipo de cavidade ótica e aumentar o comprimento da cavidade para melhorar a directividade do feixe. Além disso, as inomogeneidades no meio ativo, os erros de maquinagem e de regulação da cavidade e outros factores podem também degradar a directividade do feixe.
Devido à excelente directividade dos feixes laser, a energia emitida é confinada a um ângulo sólido muito estreito e a energia é concentrada numa linha espetral de largura reduzida. Isto aumenta significativamente o brilho espetral dos lasers em comparação com as fontes de luz convencionais. Nos lasers pulsados, em que a emissão de energia é ainda mais comprimida num intervalo de tempo muito curto, o brilho espetral pode ser ainda mais aumentado.
Atualmente, o aumento da potência de saída e da eficiência é uma direção importante no desenvolvimento do laser. Os lasers de gás, como os de CO2Os lasers de estado sólido podem produzir a potência contínua mais elevada, enquanto os lasers de estado sólido podem produzir a potência de impulso mais elevada.
Especialmente com a utilização de técnicas de modulação por cavidade ótica e amplificadores laser, o tempo de oscilação do laser pode ser comprimido para valores muito pequenos (da ordem de 10-9 segundos), e a energia de saída pode ser amplificada, resultando numa potência de impulso extremamente elevada. Com técnicas de bloqueio de modo e de compressão da largura de impulso, as larguras de impulso do laser podem ser ainda mais comprimidas para 10-15 segundos.
Mais importante ainda, potência do laser (energia) pode ser concentrada num único (ou em poucos) modos, atingindo assim um grau muito elevado de degenerescência dos fotões. Quando um feixe laser é focado através de uma lente, pode gerar temperaturas de vários milhares, ou mesmo dezenas de milhares de graus Celsius perto do ponto focal, permitindo o processamento de todos os materiais.
Por exemplo, os sistemas de alta potência de CO2 corte a laser As máquinas normalmente utilizadas na indústria adoptam distâncias focais de 127 a 190 mm, com diâmetros de ponto focal que variam entre 0,1 e 0,4 mm, e a sua densidade de energia pode atingir 10 W/cm2.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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