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Laser - Alguns Princípios Básicos

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Tópicos: Átomos, Fótons, Emissão Estimulada | Arranjo Básico | Diodos Laser | Características de Alguns Tipos |


1) Átomos, Fótons, Emissão Estimulada

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No 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.

Em A da Figura 1-I, 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.

Emissão espontânea
Fig 1-I

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. Há uma relação matemática entre a variação de energia e a frequência do fóton de luz emitido:

$$E' - E = h\ f \tag{1A}$$
Onde f é a frequência e h é a constante de Planck (cerca de 6,62 10−34 Js).

A emissão de fótons por átomos excitados é um processo comum 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.

Na emissão estimulada (Figura 1-II), 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, na mesma direção e fase.

Emissão estimulada
Fig 1-II

Pode-se imaginar que a emissão estimulada seja 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 excitados para provocar a emissão estimulada. Pode-se também supor 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.


2) Arranjo Básico

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Em alguns materiais, a excitação dos átomos ocorre conforme indicado na Figura 2-I (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. Em (A), o processo ocorre com 3 níveis de energia (E', Em e E). Em muitos casos existem um ou mais níveis intermediários inferiores Ei, conforme (B) da mesma figura.

Níveis de excitação para alguns materiais
Fig 2-I

A palavra laser significa amplificação de luz por emissão estimulada da radiação (do inglês, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). A Figura 2-II 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, portanto, a emissão estimulada ocorre em cadeia.

Laser de cristal
Fig 2-II

Em uma extremidade há um espelho pleno 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 concentrado e monocromático.

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 2-III dá o princípio básico de um laser que usa uma mistura de hélio e néon, na proporção aproximada 5:1.

Laser a gás
Fig 2-III

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.

Nota: maser é o equivalente do laser para frequências mais baixas, na faixa de micro-ondas. Sua principal aplicação está na radioastronomia, para amplificar sinais recebidos. No Universo, há masers em regiões de formação de estrelas. A maior parte irradia em 22 GHz, criando a mais brilhante linha do espectro radioastronômico.


3) Diodos Laser

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Na Figura 3-I, exemplo de um dispositivo com 5 camadas. De modo similar ao 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.

Diodo laser
Fig 3-I

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. E, de forma semelhante aos arranjos básicos anteriores, as extremidades têm superfícies espelhadas e semi-espelhadas (não indicadas na figura por questão de clareza).

Diodo laser
Fig 3-II

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 3-II). Ou seja, o dispositivo trabalha como um ressonante ótico.


4) Características de 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 importante para diversas aplicações.

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

• λ é o comprimento de onda em nanômetros.
• IV significa infravermelho e UV, ultravioleta.
• Excimer significa excited dimer, ou seja, um dímero (composto formado pela união de duas moléculas de um monômero) excitado.
• YAG é do inglês Yttrium Aluminum Garnet (cristal de ítrio e alumínio).
• YLF é do inglês Yttrium Lithium Fluoride (fluoreto de ítrio e lítio). Os elemenos citados na tabela são dopados nesses cristais.
Referências
Pesquisa na Internet em 11/2007. Fontes não anotadas.

Topo | Rev: Mar/2018