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Laser - Princípios básicos de funcionamento


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A tecnologia dos lasers está presente em uma variedade de aplicações. Telecomunicações por fibras óticas, leitura/gravação de dados em CDs, medicina, odontologia são apenas algumas das que podem ser mencionadas. Nesta página, um pouco dos fundamentos, com previsão de futuras atualizações.


Átomos e fótons

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Num modelo simplificado, o átomo é constituído por um núcleo contendo prótons e nêutrons. Elétrons giram em torno desse núcleo, ocupando determinadas trajetórias ou órbitas.

Átomos podem ser excitados por fontes externas de energia, como calor, energia elétrica. Também de forma simplificada, pode-se dizer que, quando um átomo é excitado, alguns elétrons passam para órbitas mais afastadas do núcleo, com níveis de energia superiores.

Emissão espontânea
Fig 01
Em A da Figura 01, um elétron passou do nível de energia E para o nível E'. Eventualmente, o elétron pode retornar ao nível anterior e, neste caso, há emissão de um fóton de luz.

O estudo do fóton exige mais conceitos de física quântica, que não são objeto desta página. Pode-se dizer que é a menor quantidade de luz possível, ou seja, a luz pode ser tida como um conjunto de partículas elementares, denominadas fótons.

Existe uma relação matemática entre a variação de energia e a freqüência do fóton de luz emitido:

E' − E = h f. Onde f é a freqüência e h a constante de Planck (aprox 6,62 10−34 Js).

O fenômeno da emissão de fótons por átomos excitados ocorre de forma abundante na prática. Um metal aquecido acima de certa temperatura emite luz devido à excitação dos átomos pelo calor. Átomos do fósforo na tela de um cinescópio são excitados pelo feixe de elétrons incidente para emitir luz. As variações dos níveis de energia ocorrem segundo alguma distribuição estatística e os átomos emitem fótons de forma pouco dependente dos demais. Por isso, este tipo de emissão é denominado emissão espontânea ou não estimulada.



Emissão estimulada

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A emissão estimulada se dá conforme a Figura 01 deste tópico. Um fóton incide sobre um átomo que tem um elétron excitado em um nível de energia equivalente ao do fóton incidente. Neste caso, o fóton incidente faz o elétron retornar ao nível de energia anterior e o resultado são dois fótons, o original e o emitido, nas mesmas direção e fase.

Emissão estimulada
Fig 01
Poder-se-ia imaginar que a emissão estimulada seja coisa comum na prática.

Fótons gerados por emissão espontânea poderiam encontrar átomos em condições de serem estimulados e, assim, formar uma reação em cadeia no processo.

Na realidade, isso não ocorre facilmente. Em cada instante, o número de átomos excitados é muito pequeno em relação ao total e o tempo em que eles permanecem no estado excitado também é muito curto. Portanto, a maior parte dos fótons espontaneamente emitidos não encontra átomos para provocar a emissão estimulada.

Pode-se também pensar que o aquecimento favorece o processo, mas não ocorre. O calor aumenta a energia média do conjunto, mas não aumenta a proporção de átomos excitados em relação ao novo patamar de energia.



Laser básico

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Na maioria dos materiais, conforme mencionado no tópico anterior, o tempo de permanência no estado excitado é muito curto, na faixa dos nanossegundos, insuficiente para provocar emissões estimuladas.

Níveis de excitação para alguns materiais
Fig 01
Em alguns materiais, a excitação dos átomos ocorre conforme indicado na Figura 01 (A):

Depois de atingir o nível de excitação E', elétrons decaem para um nível metaestável Em, cujo tempo de permanência está na faixa de 10−6 a 10−9 segundos, dependendo do material. E esse tempo é suficiente para provocar emissões estimuladas em cadeia, uma vez que a população de átomos excitados se torna significativamente maior.

Na Figura 01 (A), o processo ocorre com 3 níveis de energia (E', Em e E). Na realidade, em muitos casos existem um ou mais níveis intermediários inferiores, conforme Figura 01 (B).

Laser de cristal
Fig 02
A palavra laser significa amplificação de luz por emissão estimulada da radiação (do inglês, light amplification by stimulated emission of radiation).

A Figura 02 mostra o esquema de um dos primeiros tipos construídos. Um cristal de rubi, em forma de barra, é excitado por uma lâmpada a gás. O cristal tem a propriedade de excitação metaestável e, protanto, a emissão estimulada ocorre em cadeia.


Em uma extremidade há um espelho 100% refletor e na outra, um parcialmente refletor. A reflexão mútua provoca o alinhamento dos fótons na direção longitudinal e, através refletor parcial, é emitido um feixe de luz altamente concentrado e monocromático.

Laser a gás
Fig 03
Lasers também podem ser obtidos com alguns tipos de gases, usando uma construção semelhante, com uma ampola de gás no lugar do cristal.

A Figura 03 dá o princípio básico de um laser que usa uma mistura de hélio e néon, na proporção de aproximadamente 5:1.

A pressão é baixa (cerca de 0,003 atm). Uma tensão de aproximadamente 1000 V excita os átomos de hélio, que, por sua vez, excitam os de néon devido à proximidade dos níveis de energia de ambos os elementos. Em forma de equação, o processo pode ser descrito como:

He(excit) + Ne → He + Ne(excit) + ΔE. Onde esta última parcela (ΔE) é a pequena diferença de energia entre ambos.



Maser

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Maser é o equivalente do laser para freqüências mais baixas, na faixa de microondas. Sua principal aplicação está na radioastronomia, para amplificar sinais recebidos. Outro dado interessante é que existem masers no Universo, em regiões de formação de estrelas. A maior parte irradia na freqüência de 22 GHz, criando a mais brilhante linha do espectro radioastronômico. Mais detalhes poderão ser dados em futuras atualizações da página.



Diodos laser

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De todos os tipos, os lasers de semicondutor são certamente os mais conhecidos e produzidos, em razão da expansão das telecomunicações e da armazenagem de dados por meios óticos (CDs e outros).

Existem vários arranjos. A Figura 01 deste tópico dá um exemplo com 5 camadas. Como em um led, a junção é diretamente polarizada e a recombinação de cargas, que ocorre quando os elétrons passam da camada n para a camada p, produz fótons de luz visível ou de infravermelho.

Laser de semicondutor
Fig 01
Acima de um determinado nível de corrente, os fótons que se movem no sentido paralelo à junção iniciam um processo de emissão estimulada em cadeia.

De forma similar aos anteriores, as extremidades têm superfícies espelhadas e semi-espelhadas (não indicadas na figura por questão de clareza).

A construção da figura produz um feixe de formato chato, inadequado para, por exemplo, cabos de fibra ótica. Existem outras que produzem feixes concentrados.

Ressonância ótica
Fig 02
A máxima eficiência do laser - isso vale também para os anteriores - ocorre quando o comprimento do material na direção da emissão é múltiplo exato do comprimento de onda da luz emitida (ver ilustração na Figura 02). Ou seja, o dispositivo trabalha como um ressonante ótico.




Radiações emitidas por alguns tipos

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Como pode ser visto na tabela, existem mais tipos do que os descritos nesta página. Mas o princípio básico é o mesmo. Também pode ser notado que vários tipos emitem radiações fora do espectro visível, o que é muito importante para diversas aplicações.

Observações:

1) λ é o comprimento de onda em nanômetros.

2) IV significa infravermelho e UV, ultravioleta.

3) "Excimer" significa "excited dimer", ou seja, um dímero (composto formado pela união de duas moléculas de um monômero) excitado.

4) YAG é do inglês "Yttrium Aluminum Garnet" (cristal de ítrio e alumínio).

5) YLF é do inglês "Yttrium Lithium Fluoride" (fluoreto de ítrio e lítio). Os elemenos citados na tabela são dopados nesses cristais.

Laser a cristal Cor λ (nm)
Alexandrita IV 700 a 815
Cromo safira vermelho 694
Érbio (vidro) IV 1540
Érbio (YAG) IV 2940
Hólmio (YAG) IV 2100
Hólmio (YLF) IV 2060
Neodímio (YAG) IV 1064
Neodímio dobrado (YAG) verde 532
Titânio safira IV 840 a 1100
Laser a gás Cor λ (nm)
Argônio azul 488
Idem verde 514
Criptônio amarelo 568
Idem azul 476
Idem verde 528
Idem vermelho 647
Dióxido de carbono IV 10600
Fluoreto de hidrogênio IV 2700
Hélio cádmio violeta 441
Idem UV 325
Hélio neônio amarelo 594
Idem laranja 612
Idem verde 543
Idem vermelho 633
Idem IV 1152
Idem IV 3390
Nitrogênio UV 337
Xenônio branco vários
Laser a gás "Excimer" Cor λ (nm)
Cloreto de criptônio UV 222
Cloreto de xenônio UV 308
Fluoreto de argônio UV 193
Fluoreto de criptônio UV 248
Fluoreto de xenônio UV 351
Laser a líquido Cor λ (nm)
Coumarin C30 verde 504
Rhodamine 6G IV 570 a 650
Laser a semicondutor Cor λ (nm)
Arsenieto de gálio (usado em leitores de CDs) IV 840
Arsenieto de gálio e alumínio (usados em impressoras) IV 670 a 830
Fosfeto arsenieto de gálio (usados em telecomunicações) IV 1300
Laser a vapor metálico Cor λ (nm)
Cobre amarelo 570
Idem verde 510
Ouro vermelho 627

Última atualização ou revisão: Nov/2007 Índice do grupo | Página anterior | Próxima página |
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