Imagine aproveitar um feixe de luz poderoso o suficiente para cortar aço ou realizar cirurgias delicadas. Este artigo se aprofunda no fascinante mundo da tecnologia laser, explorando os principais componentes e princípios que tornam os lasers possíveis. Desde o meio ativo até o ressonador óptico, cada elemento desempenha um papel crucial na geração e amplificação da luz laser. Os leitores obterão uma compreensão abrangente de como os lasers funcionam e da ciência por trás dessa tecnologia revolucionária. Prepare-se para desvendar os segredos desses extraordinários feixes de luz!
A estrutura básica do laser é ilustrada na Figura 1 e consiste nos seguintes componentes:
A produção de luz laser requer um meio ativo adequado, que pode ser um gás, líquido, sólido ou semicondutor. Nesse meio, a inversão de população pode ser obtida para criar as condições necessárias para a geração de luz laser. A existência de níveis de energia metaestáveis facilita muito a inversão de população.
Há quase mil tipos de mídia ativa disponíveis, capazes de produzir comprimentos de onda de laser que vão do ultravioleta ao infravermelho distante, abrangendo um amplo espectro.
Como o coração do laser, o meio ativo consiste em partículas ativadoras (geralmente metais) e uma matriz. A estrutura do nível de energia das partículas ativadoras determina as características espectrais e a vida útil da 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 ativadoras. As formas comumente usadas para o meio ativo são cilíndricas (mais amplamente usadas), planas, em disco e tubulares.
Para obter a inversão da população no meio ativo, os átomos devem ser excitados de uma determinada maneira para aumentar o número de partículas em níveis de energia mais altos. A saída contínua do laser exige um "bombeamento" constante para manter uma população maior de partículas no nível de energia superior do que no inferior, portanto, a fonte de bombeamento externa também é chamada de fonte de bomba.
A fonte da bomba fornece energia para reverter a população entre os níveis de energia alto e baixo, sendo o bombeamento óptico o principal método usado atualmente. A fonte da bomba deve atender a duas condições básicas: deve ter uma alta eficiência luminosa e suas características espectrais devem corresponder ao espectro de absorção do meio ativo. As fontes de bombeamento comuns incluem lâmpadas de descarga de gás inerte, energia solar e lasers de diodo.
As lâmpadas de descarga de gás inerte são as fontes de bomba mais comumente usadas. O bombeamento de energia solar é frequentemente usado para dispositivos de baixa potência, especialmente pequenos lasers em aplicações espaciais que podem usar a energia solar como fonte de energia permanente. O bombeamento por diodo representa a direção futura dos lasers de estado sólido, combinando muitas vantagens e tornando-se um dos lasers de desenvolvimento mais rápido.
Os métodos de bombeamento de diodo podem ser divididos em dois tipos: bombeamento transversal (bombeamento na extremidade com incidência coaxial) e bombeamento longitudinal (bombeamento lateral com incidência vertical).
Os lasers de estado sólido bombeados por diodo têm inúmeras vantagens, incluindo longa vida útil, boa estabilidade de frequência e distorção óptica térmica mínima, sendo que a vantagem mais proeminente é a alta eficiência de bombeamento devido à correspondência precisa entre o comprimento de onda da luz da bomba e o espectro de absorção do meio ativo.
A cavidade de focalização tem duas funções: acopla efetivamente a fonte da bomba com o meio ativo e determina a distribuição da densidade da luz da bomba no meio ativo, afetando assim a uniformidade, a divergência e a distorção óptica do feixe de saída.
Como o meio ativo e a fonte da bomba são instalados dentro da cavidade de focalização, sua qualidade afeta diretamente a eficiência e o desempenho da bomba. As cavidades de focalização de cilindro elíptico são mais comumente usadas em pequenos lasers de estado sólido.
O ressonador óptico é essencialmente dois espelhos altamente refletivos colocados frente a frente nas extremidades do laser. Um espelho é totalmente reflexivo, enquanto o outro é parcialmente reflexivo, permitindo que a maior parte da luz seja refletida de volta, enquanto uma pequena quantidade é transmitida para fora, produzindo a luz do laser. A luz refletida de volta para o meio ativo continua a induzir novas emissões estimuladas, amplificando a luz.
A luz oscila para frente e para trás dentro do ressonador, causando uma reação em cadeia e uma amplificação semelhante a uma avalanche, resultando na emissão de luz laser intensa da extremidade do espelho parcialmente reflexivo.
O ressonador óptico não só fornece feedback óptico para sustentar a oscilação contínua do laser e a emissão estimulada, mas também restringe a direção e a frequência do feixe de luz oscilante para garantir a alta monocromaticidade e a alta diretividade do laser de saída. O ressonador óptico mais simples e mais comumente usado para lasers de estado sólido consiste em dois espelhos planos (ou esféricos) que se enfrentam.
Os sistemas de resfriamento e filtragem são dispositivos auxiliares indispensáveis para um laser. Os lasers geram calor significativo durante a operação, exigindo, portanto, medidas de resfriamento. O sistema de resfriamento resfria principalmente o meio ativo do laser, a fonte de bombeamento e a cavidade de focalização para garantir a operação normal do laser e proteger o equipamento.
Os métodos de resfriamento incluem líquido, gás e condução, sendo o resfriamento por líquido o mais amplamente utilizado. Além disso, para obter um feixe de laser com alta monocromaticidade, é necessário filtrar a saída. O sistema de filtragem pode remover a maior parte da luz da bomba e outras luzes interferentes, resultando em um feixe de laser de saída de alta qualidade monocromática.
Vamos usar o laser de rubi como exemplo para explicar o princípio de funcionamento de um laser. O meio ativo é uma haste de rubi. O rubi é um cristal de óxido de alumínio dopado com uma pequena quantidade de íons de cromo trivalente, normalmente uma proporção de massa de óxido de cromo de cerca de 0,05%. Como os íons de cromo absorvem a luz verde e azul da luz branca, a gema parece rosa.
O rubi usado por Maiman no primeiro laser inventado em 1960 era uma haste cilíndrica com um diâmetro de 0,8 cm e um comprimento de cerca de 8 cm. Suas extremidades são um par de espelhos planos paralelos, um revestido com um filme totalmente reflexivo e o outro com uma taxa de transmissão de 10%, permitindo a passagem do laser.
No laser de rubi, uma lâmpada de xenônio de alta pressão é usada como "bomba" para excitar os íons de cromo até o estado excitado E3. Os elétrons 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 baixo, com uma vida útil de até 10-3 segundos, permitindo que as partículas permaneçam por um período prolongado.
Consequentemente, as partículas se acumulam em E2alcançando 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 comprimento de onda de 694,3 nm. O laser de pulso obtido da lâmpada de xenônio pulsado dura menos de 1 ms por pulso de luz, com cada energia de pulso superior a 10 J e a potência de cada laser de pulso capaz de exceder 10 kW.
O processo de excitação dos íons de cromo e emissão de luz laser envolve três níveis de energia, por isso é chamado de sistema de três níveis. Em um sistema de três níveis, como o nível de energia mais baixo E1 é o estado fundamental e, normalmente, acumula um grande número de átomos, a obtenção da inversão da população requer uma quantidade substancial de excitação.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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