Noções básicas sobre laser: Entendendo as principais características

Uma fonte de luz típica emite luz que irradia em todas as direções e diminui com o aumento da distância. Essa atenuação ocorre principalmente porque a luz dessas fontes é o resultado de uma grande quantidade de moléculas ou átomos dentro da fonte que emitem fótons independentemente durante a radiação espontânea. Por outro lado, os lasers amplificam os fótons incidentes por meio de emissão estimulada.

Devido aos diferentes mecanismos por trás da geração do laser em comparação com as fontes de luz comuns, os lasers apresentam características exclusivas não compartilhadas com a luz convencional, que geralmente podem ser resumidas em quatro aspectos: direcionalidade, monocromaticidade, coerência e alta intensidade.

Direcionalidade dos lasers

Os lasers emitem luz por meio de radiação estimulada; cada fóton mantém a mesma frequência, fase e estado de polarização da luz incidente, tudo sob o controle de um ressonador óptico. Esse controle permite que o feixe de laser se propague estritamente ao longo do eixo do ressonador com um ângulo de divergência muito pequeno, próximo ao da luz paralela.

A alta direcionalidade dos lasers é determinada pelo mecanismo de emissão estimulada e pela influência restritiva do ressonador óptico 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 quilômetros, resulta em um ponto de feixe na Lua com menos de 1.000 metros de diâmetro.

Essa excelente direcionalidade levou ao uso generalizado de lasers em alcance, comunicação e posicionamento. A alta direcionalidade dos lasers permite a transmissão eficaz em longas distâncias e a focalização em densidades de potência muito altas, ambas cruciais para a processamento a laser.

Monocromaticidade dos lasers

A cor da luz é determinada por seu comprimento de onda. A largura entre os dois comprimentos de onda nos quais a intensidade é a metade do máximo é normalmente definida como a largura da linha espectral. Quanto mais estreita for a largura da linha espectral, melhor será a monocromaticidade da luz. A luz visível consiste em sete cores, cada uma com uma largura de linha espectral de 40 a 50 nanômetros.

A monocromaticidade dos lasers excede em muito a das fontes de luz comuns. Por exemplo, a largura da linha espectral da luz vermelha emitida por um laser de hélio-neônio é de apenas 10^-8 nanômetros, o que é significativamente mais monocromático do que uma lâmpada de criptônio. Alguns lasers especiais têm monocromaticidade ainda maior.

A monocromaticidade extremamente alta dos lasers praticamente elimina a dispersão cromática (a variação do índice de refração com o comprimento de onda) das lentes de focalização, permitindo que o feixe de luz seja focalizado com precisão no ponto focal, atingindo uma alta densidade de potência. A excelente monocromaticidade dos lasers é uma ferramenta vantajosa para medições precisas de instrumentos e para estimular determinadas reações químicas em experimentos científicos.

Coerência de lasers

A coerência descreve principalmente as relações de fase entre diferentes partes de uma onda de luz, abrangendo dois aspectos: coerência temporal e coerência espacial. Para lasers, a distribuição espacial do campo de luz é normalmente decomposta em uma distribuição ao longo da direção de propagação (eixo da cavidade) E(z) e uma distribuição na seção transversal perpendicular à direção de propagação E(x, y).

Assim, os modos da cavidade do laser podem ser divididos em modos longitudinais e transversais, representando as distribuições longitudinais e transversais do campo de luz dos modos da cavidade, respectivamente.

(1) Coerência temporal

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 usado para descrever a coerência temporal de um laser. Quanto mais estreita for a largura da linha espectral, 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, normalmente atingindo 10⁶ a 10¹³ Hz; os lasers de estado sólido têm pior monocromaticidade, principalmente porque sua curva de ganho é ampla, dificultando a garantia de operação em modo longitudinal único; os lasers semicondutores têm a pior monocromaticidade.

A operação em modo único (tecnologia de seleção de modo) e a estabilização de frequência são essenciais para aumentar a coerência. Um laser de modo transversal único estabilizado em frequência emite luz que se aproxima de uma onda plana monocromática ideal, ou seja, totalmente coerente.

(2) Coerência espacial

A coerência espacial de um laser é a relação de fase entre pontos em um plano perpendicular à direção de propagação do feixe. Ela se refere à escala na qual a luz emitida pelo feixe pode convergir em um ponto no espaço para formar padrões de interferência, e a coerência espacial está relacionada ao tamanho da fonte de luz.

Uma onda plana ideal é totalmente coerente espacialmente e tem um ângulo de divergência zero. Entretanto, na prática, devido aos efeitos de difração, o menor ângulo de emissão de feixe obtido por um laser não pode ser menor que o 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 laser para operar em um único modo transversal; em segundo lugar, selecionar adequadamente o tipo de cavidade óptica e aumentar o comprimento da cavidade para melhorar a diretividade do feixe. Além disso, as inomogeneidades no meio ativo, os erros na usinagem e no ajuste da cavidade e outros fatores também podem degradar a diretividade do feixe.

Alta intensidade de lasers

Devido à excelente diretividade dos feixes de laser, a energia emitida é confinada em um ângulo sólido muito estreito, e a energia é concentrada em uma largura de linha espectral estreita. Isso aumenta significativamente o brilho espectral dos lasers em comparação com as fontes de luz convencionais. Nos lasers pulsados, em que a emissão de energia é ainda mais comprimida em um intervalo de tempo muito curto, o brilho espectral pode ser ainda mais aprimorado.

Atualmente, o aumento da potência de saída e da eficiência é uma direção importante no desenvolvimento de lasers. Os lasers de gás, como os de CO₂Os lasers de estado sólido podem produzir a maior potência contínua, enquanto os lasers de estado sólido podem produzir a maior potência de pulso.

Especialmente com o uso de técnicas de modulação de cavidade óptica e amplificadores de 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 em uma potência de pulso extremamente alta. Com técnicas de bloqueio de modo e compressão de largura de pulso, as larguras de pulso do laser podem ser comprimidas ainda mais para 10^-15 segundos.

E o mais importante, potência do laser (energia) pode ser concentrada em um único (ou poucos) modos, atingindo assim um grau muito alto de degenerescência de fótons. Quando um feixe de laser é focalizado por meio de uma lente, ele pode gerar temperaturas de vários milhares, até mesmo dezenas de milhares de graus Celsius perto do ponto focal, permitindo o processamento de todos os materiais.

Por exemplo, o CO₂ corte a laser As máquinas comumente usadas na indústria adotam distâncias focais de 127 a 190 mm, com diâmetros de ponto focal que variam de 0,1 a 0,4 mm, e sua densidade de energia pode chegar a 10 W/cm².