Imagine-se a utilizar um feixe de luz suficientemente potente para cortar aço ou efetuar cirurgias delicadas. Este artigo mergulha no fascinante mundo da tecnologia laser, explorando os principais componentes e princípios que tornam os lasers possíveis. Desde o meio ativo ao ressoador ótico, cada elemento desempenha um papel crucial na geração e amplificação da luz laser. Os leitores irão adquirir uma compreensão abrangente do funcionamento dos lasers e da ciência subjacente a esta tecnologia revolucionária. Prepare-se para descobrir os segredos destes extraordinários feixes de luz!
A estrutura básica do laser é ilustrada na Figura 1 e é constituída pelos seguintes componentes:
A produção de luz laser requer um meio ativo adequado, que pode ser um gás, um líquido, um sólido ou um semicondutor. Neste meio, a inversão de população pode ser conseguida para criar as condições necessárias à geração de luz laser. A existência de níveis de energia metaestáveis facilita muito a inversão de população.
Existem quase mil tipos de meios activos disponíveis, capazes de produzir comprimentos de onda laser que vão do ultravioleta ao infravermelho distante, cobrindo um amplo espetro.
Como coração do laser, o meio ativo é constituído por partículas activadoras (normalmente metais) e uma matriz. A estrutura do nível de energia das partículas activadoras determina as características espectrais e o tempo de vida de fluorescência do laser, enquanto a matriz determina principalmente as propriedades físicas e químicas do meio ativo.
Os lasers podem ser divididos em sistemas de três níveis (como os lasers de rubi) e sistemas de quatro níveis (como os lasers de Nd:YAG) com base na estrutura do nível de energia das partículas activadoras. As formas habitualmente utilizadas para o meio ativo são cilíndricas (mais utilizadas), planas, em disco e tubulares.
Para conseguir a inversão da população no meio ativo, os átomos devem ser excitados de uma determinada forma para aumentar o número de partículas a níveis de energia mais elevados. A saída contínua do laser requer um "bombeamento" constante para manter uma população de partículas mais elevada no nível de energia superior do que no inferior, pelo que a fonte de bombeamento externa é também designada por fonte de bombeamento.
A fonte de bomba fornece energia para inverter a população entre os níveis de energia alto e baixo, sendo o bombeamento ótico o principal método utilizado atualmente. A fonte de bombeamento deve satisfazer duas condições básicas: deve ter uma elevada eficiência luminosa e as suas características espectrais devem corresponder ao espetro de absorção do meio ativo. As fontes de bombagem comuns incluem lâmpadas de descarga de gás inerte, energia solar e lasers de díodos.
As lâmpadas de descarga de gás inerte são as fontes de bombagem mais utilizadas. O bombeamento por energia solar é frequentemente utilizado para dispositivos de baixa potência, especialmente pequenos lasers em aplicações espaciais que podem utilizar a energia solar como fonte de energia permanente. O bombeamento por díodos representa a futura direção dos lasers de estado sólido, combinando muitas vantagens e tornando-se um dos lasers de desenvolvimento mais rápido.
Os métodos de bombagem de díodos podem ser divididos em dois tipos: bombagem transversal (bombagem na extremidade com incidência coaxial) e bombagem longitudinal (bombagem lateral com incidência vertical).
Os lasers de estado sólido bombeados por díodos têm inúmeras vantagens, incluindo uma longa duração, uma boa estabilidade de frequência e uma distorção ótica térmica mínima, sendo a vantagem mais proeminente a elevada eficiência de bombeamento devido à correspondência precisa entre o comprimento de onda da luz da bomba e o espetro de absorção do meio ativo.
A cavidade de focagem tem duas funções: liga eficazmente a fonte da bomba ao meio ativo e determina a distribuição da densidade da luz da bomba no meio ativo, afectando assim a uniformidade, a divergência e a distorção ótica do feixe de saída.
Uma vez que tanto o meio ativo como a fonte da bomba estão instalados na cavidade de focagem, a sua qualidade tem um impacto direto na eficiência e no desempenho da bomba. As cavidades de focagem cilíndricas elípticas são mais frequentemente utilizadas em pequenos lasers de estado sólido.
O ressoador ótico consiste essencialmente em dois espelhos altamente reflectores colocados frente a frente nas extremidades do laser. Um espelho é totalmente refletor enquanto o outro é parcialmente refletor, permitindo que a maior parte da luz seja reflectida de volta enquanto uma pequena quantidade é transmitida para fora, produzindo luz laser. A luz reflectida de volta para o meio ativo continua a induzir novas emissões estimuladas, amplificando a luz.
A luz oscila para trás e para a frente dentro do ressoador, provocando uma reação em cadeia e uma amplificação do tipo avalanche, resultando na emissão de luz laser intensa a partir da extremidade do espelho parcialmente reflectora.
O ressoador ótico não só fornece feedback ótico para manter a oscilação contínua do laser e a emissão estimulada, como também restringe a direção e a frequência do feixe de luz oscilante para assegurar a elevada monocromaticidade e a elevada directividade do laser de saída. O ressoador ótico mais simples e mais comummente utilizado para lasers de estado sólido é constituído por dois espelhos planos (ou esféricos) que se defrontam.
Os sistemas de arrefecimento e de filtragem são dispositivos auxiliares indispensáveis para um laser. Os lasers geram um calor significativo durante o seu funcionamento, necessitando assim de medidas de arrefecimento. O sistema de arrefecimento arrefece principalmente o meio ativo do laser, a fonte de bombagem e a cavidade de focagem para garantir o funcionamento normal do laser e proteger o equipamento.
Os métodos de arrefecimento incluem líquido, gás e condução, sendo o arrefecimento por líquido o mais utilizado. Além disso, para obter um feixe laser com elevada monocromaticidade, é necessário filtrar a saída. O sistema de filtragem pode remover a maior parte da luz da bomba e outra luz interferente, resultando num feixe laser de saída de elevada qualidade monocromática.
Tomemos o laser de rubi como exemplo para explicar o princípio de funcionamento de um laser. O meio ativo é uma barra de rubi. O rubi é um cristal de óxido de alumínio dopado com uma pequena quantidade de iões de crómio trivalentes, normalmente com uma relação de massa de óxido de crómio de cerca de 0,05%. Uma vez que os iões de crómio absorvem a luz verde e azul da luz branca, a gema aparece cor-de-rosa.
O rubi utilizado por Maiman no primeiro laser inventado em 1960 era um bastão cilíndrico com um diâmetro de 0,8 cm e um comprimento de cerca de 8 cm. As suas extremidades são um par de espelhos planos paralelos, um revestido com uma película totalmente reflectora e o outro com uma taxa de transmissão de 10%, permitindo a passagem do laser.
No laser de rubi, é utilizada uma lâmpada de xénon de alta pressão como "bomba" para excitar os iões de crómio para o estado excitado E3. Electrões bombeados para E3 transição rápida (em cerca de 10-8 segundos) para E2 sem radiação. E2 é um nível de energia metaestável em que a probabilidade de emissão espontânea para E1 é muito baixa, com um tempo de vida de até 10-3 segundos, permitindo que as partículas permaneçam durante um período prolongado.
Consequentemente, as partículas acumulam-se em E2, obtendo-se uma inversão de população entre os níveis de energia E2 e E1. A emissão estimulada de luz de E2 para E1 é um laser vermelho com um comprimento de onda de 694,3 nm. O laser pulsado obtido a partir da lâmpada de xénon pulsada dura menos de 1 ms por impulso luminoso, sendo a energia de cada impulso superior a 10 J e a potência de cada laser pulsado capaz de exceder 10 kW.
O processo de excitação dos iões de crómio e de emissão de luz laser envolve três níveis de energia, pelo que é designado por sistema de três níveis. Num sistema de três níveis, uma vez que o nível de energia mais baixo E1 é o estado fundamental e tipicamente acumula um grande número de átomos, alcançar a inversão da população requer uma quantidade substancial de excitação.
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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