Laser Principles

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O presente trabalho tem por objectivo expor os conceitos e princípios que sustentam a teoria dos lasers. O texto esta dividido em 8 secções, inicialmente uma introdução onde também é feita uma pequena abordagem histórica, seguidamente são detalhadas as principais características da luz laser. Posteriormente é explicado o principio físico que esta por trás da tecnologia numa secção intitulada interação entre a luz e a matéria onde explicou-se a emissão espontânea e estimulada. As secções 4-7 detalham conceitos teóricos nos quais se baseia a tecnologia, tais como ganho, realimentação, cavidades ópticas, frequência e potencia de saída do laser. Para finalizar são explicados os modos de funcionamento do sistema laser.

Transcript of Laser Principles

  • LASERS E APLICAES

    Carlos Avelino De Jesus Gouveia

    INESC Porto, R. Campo Alegre s/n, 4369-007, Porto, Portugal;

    Centro de Competncias de Cincias Exactas e de Engenharia, Universidade da Madeira, Campus da

    Penteada, 9000-390 Funchal.

    cgouveia@inescporto.pt

    SUMRIO

    O presente trabalho tem por objectivo expor os conceitos e princpios que sustentam a teoria dos lasers. O texto esta

    dividido em 8 seces, inicialmente uma introduo onde tambm feita uma pequena abordagem histrica,

    seguidamente so detalhadas as principais caractersticas da luz laser. Posteriormente explicado o principio fsico que

    esta por trs da tecnologia numa seco intitulada interao entre a luz e a matria onde explicou-se a emisso

    espontnea e estimulada. As seces 4-7 detalham conceitos tericos nos quais se baseia a tecnologia, tais como ganho,

    realimentao, cavidades pticas, frequncia e potencia de sada do laser. Para finalizar so explicados os modos de

    funcionamento do sistema laser.

    Palavras chave: Laser, Maser, emisso estimulada, emisso espontnea, absoro, cavidades ressonantes.

    1. INTRODUO A palavra LASER abreviao inglesa para amplificao de luz por emisso estimulada de radiao. Albert Einstein em

    1916 descobriu que para haver equilbrio termodinmico entre a matria e a radiao era um preciso um processo, que

    at essa altura era desconhecido, a emisso estimulada. Essa descoberta ficou guardada at que em 1954 Charles Townes

    desenvolveu um amplificador de micro-ondas por radiao estimulada (MASER - Microwave Amplification by

    Stimulated Emission of Radiation). Posteriormente, em 1958 Arthur Schalow e Charles Townes sugeriram que o efeito

    de emisso estimulada podia ser estendido a regio ptica do espectro electromagntico, se o meio activo estivesse

    dentro de uma cavidade Fabry-Perot. Em 1960 Theodore Maiman desenvolveu o primeiro laser, baseado rubi e pouco

    tempo depois Ali Javan presenteou o Laser de He-Ne. Hoje em dia h uma enorme variedade de lasers a funcionar em

    diversos cumprimentos de ondas para diversas aplicaes. A Figura 1 mostra os diversos materiais activos utilizados nos

    diversos cumprimentos de ondas dos lasers.

  • Figura 1 Comprimento de onda da luz em funo do material utilizado no meio activo

    Um sistema laser composto por quatro elementos chaves. A figura 2 ilustra estes elementos. O meio activo, que

    formado por uma coleco de tomos ou de outra matria e serve como amplificador de luz (figura 2.A). O meio activo

    normalmente encontra-se dentro de uma cavidade ptica, desta forma o processo de amplificao repete-se

    continuamente (figura 2.B). A bombagem o elemento encarregado de fornecer energia que permite a amplificao da

    luz (figura 2.C). Por ultimo de modo a extrair uma poro da luz amplificada uma das superfcies reflectoras deixa passar

    parcialmente parte da luz (figura 2.D).

    Figura 2 Elementos chave de um sistema laser Um sistema laser esta sujeito as leis bsicas da fsica. Assim, em cada uma das fases do funcionamento do laser existem

    possibilidades de perdas de energia o que aumenta a entropia do sistema. Um sistema laser bem construdo deve

    equilibrar os ganhos e perdas. Dito de outra forma, o laser s foi possvel depois de os fsicos perceberem como os

    tomos podiam comportar-se como maquinas termodinmicas eficientes.

    O estudo do comportamento dos tomos dentro de uma cavidade ptica, os tomos e a sua interaco com a luz factor

    chave no funcionamento do laser. Um sinal fraco amplificado pelo meio activo de forma continua, devido a

    realimentao, este processo chega a um ponto em que a intensidade do sinal poder alterar a capacidade de amplificao

    MedioActivo(tomos)

    MedioActivo(tomos)

    A

    B 1 2

    34

    MedioActivo(tomos)

    C

    Bombagem

    D

  • do meio activo. Este facto sugere que deve-se estudar o meio activo e o sinal ptico como um conjunto, e no

    separadamente. A luz e os tomos dentro de uma cavidade laser apresentam um comportamento altamente no linear. A

    realimentao tambm implica que uma pequena instabilidade possa ser magnificada. Isto quer dizer que um sistema

    laser pode apresentar um comportamento catico, sendo este estudo alvo de alguns investigadores. Mas para a maioria

    deles os lasers so interessantes quando funcionam de forma estvel com uma intensidade, frequncia e estrutura

    espacial de feixe bem definido.

    2. CARACTERISTICAS DA LUZ LASER 2.1 Monocromaticidade

    Existem diversos tipos de fontes luminosas, sendo que nenhuma perfeitamente monocromtica. existe sempre uma

    largura espectral associada. define-se monocromaticidade de uma fonte a razo entre largura espectral e o

    cumprimento de onda central /. Quanto menor este valor mais monocromtica a nossa fonte. Um laser

    normalmente presenta uma largura espectral no ordem de algumas centsimas de pico metros. A monocromaticidade

    depende de dois factores, a cavidade ptica que actua como filtro ptico e ainda mais importante o processo de emisso

    estimulada.

    2.2 Direccionalidade

    A direccionalidade uma das caractersticas mais notveis de um feixe laser. Ao contrario de uma fonte convencional

    que emite em todas as direces, um feixe laser tem normalmente uma divergncia prxima ao limite da difraco. Esta

    propriedade deve-se em parte a cavidade ptica. Um foto antes de sair da em media 50 voltas a cavidade, para ter sido

    reflectido tantas vezes claro que o foto tem de propagar-se ao longo do eixo da cavidade pelo que o sai com uma

    pequena divergncia. Com tudo a razo mais fundamental tem a ver com a coerncia espacial, conceito que ser

    abordado nos em breve no texto.

    2.3 Brilho espectral

    O brilho espectral () pode ser definido como a intensidade espectral por unidade de ngulo slido (). Sendo que a

    intensidade espectral a potncia (P()) por unidade de rea a dividir pela largura de banda. Assim ficamos com

    Eq 2.1

    2.4 Coerncia

    A coerncia a principal caracterstica da luz laser, e implica uma determinada correlao, isto , possvel determinar

    um evento atravs de conhecimento passado. Se a luz de uma fonte completamente coerente no espao e no tempo, h

    ento uma correlao total entre as oscilaes de o campo elctrico num ponto e em qualquer outro ponto. A coerncia

    temporal esta associada a preservao da fase dos diversos fotes enquanto que a coerncia espacial tipicamente

    expressada atravs do facto de a sada termos um feixe muito estreito limitado pela difraco. Como j foi referido o

    feixe laser pode ser focalizado em pontos muito pequenos com radincia muito elevada, sendo possvel concentrar a sua

    energia a grandes distancias.

    !" =P(")

    A#"#$

  • 3. INTERACO ENTRE A LUZ E A MATERIA Boa parte das fontes de luz utilizadas hoje em dia, seja de lmpadas incandescentes ou fluorescentes, gerada

    espontaneamente quando tomos ou molculas perdem um excesso de energia emitindo luz. Este tipo de luz gerada por

    mudanas de energia dos nveis atmicos ou moleculares, que ocorrem sem qualquer interveno externa. Entretanto,

    existe um segundo processo em que a emisso de luz que ocorre quando um tomo ou molcula retm o excesso de

    energia at ser estimulado a emiti-lo na forma de luz. Os lasers so capazes de produzir e amplificar esta forma de luz

    estimulada, de forma a produzir feixes intensos e colimados. A natureza especial deste tipo de radiao eletromagntica

    tornou a tecnologia laser uma ferramenta vital em quase todos os aspectos da vida diria, incluindo comunicaes,

    monitorizao, diverso, fabricao, e medicina.

    Em 1917 Albert Einstein deu o passo inicial no desenvolvimento do laser ao demonstrar a existncia destes dois tipos de

    emisso num artigo publicado em 1917. Sendo que por muitos anos, os fsicos pensaram que a emisso espontnea fosse

    o processo mais provvel e dominante, e que emisso estimulada seria sempre muito mais fraca. S algumas dcadas

    mais tarde que estudos demonstraram a possibilidade da predominncia da emisso estimulada e fizesse a emisso de

    um tomo ou molcula estimular muitos outros para produzir o efeito de amplificao da luz.

    A compreenso de alguns princpios fundamentais vital para o entendimento de como a emisso estimulada

    produzida e amplificada. So eles,

    O laser um dispositivo inerentemente quntico, e na descrio quntica, um tomo possui nveis discretos de

    energia.

    A emisso de luz espontnea e estimulada s ocorre se houver transies entre nveis de energia.

    necessria uma inverso de populao entre nveis de energia para que ocorra a amplificao da emisso

    estimulada de energia.

    3.1 Emisses espontnea e estimulada

    No trabalho apresentado, Einstein considerou um conjunto de dois tomos com dois nveis de energia. Um nvel

    fundamental com energia Ef e um nvel excitado com energia Ee. Notar que o nvel fundamental representa estado de

    mais baixa energia do tomo. Transies so possveis entre esses dois nveis atravs da absoro ou emisso de um

    foto de frequncia dada pela relao de Einstein,

    Eq 3.1

    Se um tomo ou molcula estiver no nvel fundamental pode absorver um foto de energia de transio h e

    simultaneamente passar para o estado excitado. Se um tomo ou molcula estiver no nvel de energia excitado, ele pode

    decair espontaneamente para um nvel de energia mais baixo sem qualquer estmulo externo. Como resultado, temos a

    liberao de um excesso de energia, igual diferena de energia dos dois nveis, em forma de um foto. A frequncia do

    foto emitido da