Laser -Laser

Lasers vermelho (660 e 635 nm), verde (532 e 520 nm) e azul-violeta (445 e 405 nm)
Um feixe de laser usado para soldagem

Um laser é um dispositivo que emite luz através de um processo de amplificação óptica baseado na emissão estimulada de radiação eletromagnética . A palavra "laser" é um acrônimo para " amplificação de luz por emissão estimulada de radiação ". O primeiro laser foi construído em 1960 por Theodore H. Maiman nos Laboratórios de Pesquisa Hughes , com base no trabalho teórico de Charles Hard Townes e Arthur Leonard Schawlow .

Um laser difere de outras fontes de luz porque emite uma luz coerente . A coerência espacial permite que um laser seja focado em um ponto apertado, permitindo aplicações como corte a laser e litografia . A coerência espacial também permite que um feixe de laser permaneça estreito em grandes distâncias ( colimação ), permitindo aplicações como ponteiros laser e lidar . Os lasers também podem ter alta coerência temporal , o que lhes permite emitir luz com um espectro muito estreito . Alternativamente, a coerência temporal pode ser usada para produzir pulsos de luz ultracurtos com um amplo espectro, mas durações tão curtas quanto um femtosegundo .

Os lasers são usados ​​em unidades de disco óptico , impressoras a laser , scanners de código de barras , instrumentos de sequenciamento de DNA , fibra óptica , fabricação de chips semicondutores ( fotolitografia ) e comunicação óptica de espaço livre , cirurgia a laser e tratamentos de pele, materiais de corte e soldagem , militares e jurídicos dispositivos de fiscalização para marcação de alvos e medição de alcance e velocidade, e em displays de iluminação a laser para entretenimento. Lasers semicondutores no azul ao UV próximo também foram usados ​​no lugar de diodos emissores de luz (LEDs) para excitar a fluorescência como uma fonte de luz branca. Isso permite uma área de emissão muito menor devido ao brilho muito maior de um laser e evita a queda sofrida pelos LEDs; tais dispositivos já são utilizados em alguns faróis de automóveis .

Fundamentos

Os lasers se distinguem de outras fontes de luz por sua coerência . A coerência espacial (ou transversal) é tipicamente expressa através da saída sendo um feixe estreito, que é limitado por difração . Os feixes de laser podem ser focados em pontos muito pequenos, alcançando uma irradiância muito alta , ou podem ter divergência muito baixa para concentrar sua potência a uma grande distância. A coerência temporal (ou longitudinal) implica uma onda polarizada em uma única frequência, cuja fase é correlacionada em uma distância relativamente grande (o comprimento de coerência ) ao longo do feixe. Um feixe produzido por uma fonte de luz térmica ou outra fonte de luz incoerente tem amplitude e fase instantâneas que variam aleatoriamente em relação ao tempo e à posição, tendo assim um comprimento de coerência curto.

Os lasers são caracterizados de acordo com seu comprimento de onda no vácuo. A maioria dos lasers de "comprimento de onda único" produz radiação em vários modos com comprimentos de onda ligeiramente diferentes. Embora a coerência temporal implique algum grau de monocromaticidade, existem lasers que emitem um amplo espectro de luz ou emitem diferentes comprimentos de onda de luz simultaneamente. Alguns lasers não são de modo espacial único e possuem feixes de luz que divergem mais do que o exigido pelo limite de difração . Todos esses dispositivos são classificados como "lasers" com base no método de produção de luz por emissão estimulada. Os lasers são empregados onde a luz da coerência espacial ou temporal necessária não pode ser produzida usando tecnologias mais simples.

Terminologia

O primeiro dispositivo que utilizava a amplificação por emissão estimulada operava em frequências de micro-ondas, e recebeu o nome de " maser ", sigla para "amplificação de microondas por emissão estimulada de radiação". Quando dispositivos ópticos semelhantes foram desenvolvidos, eles foram inicialmente conhecidos como "masers ópticos", até que "microondas" foi substituído por "luz" na sigla.

Todos esses dispositivos que operam em frequências superiores às micro-ondas são chamados de lasers (incluindo laser infravermelho , laser ultravioleta, laser de raios X e laser de raios gama ). Todos os dispositivos que operam em micro -ondas ou frequências de rádio mais baixas são chamados de masers.

Um laser que produz luz por si só é tecnicamente um oscilador óptico em vez de um amplificador óptico , como sugerido pela sigla. Observou-se com humor que a sigla LOSER, para "oscilação de luz por emissão estimulada de radiação", teria sido mais correta. Com o uso generalizado da sigla original como um substantivo comum, os amplificadores ópticos passaram a ser chamados de "amplificadores de laser".

O verbo retroformado lase é freqüentemente usado no campo, significando "emitir luz coerente", especialmente em referência ao meio de ganho de um laser; quando um laser está operando, diz-se que está "lasing". As palavras laser e maser também são usadas nos casos em que há um estado coerente desconectado de qualquer dispositivo fabricado, como no maser astrofísico e no laser atômico .

Projeto

Componentes de um laser típico:
  1. Ganho médio
  2. Energia de bombeamento a laser
  3. Alto refletor
  4. Acoplador de saída
  5. Raio Laser

Um laser consiste em um meio de ganho , um mecanismo para energizá-lo e algo para fornecer feedback óptico . O meio de ganho é um material com propriedades que permitem amplificar a luz por meio de emissão estimulada. A luz de um comprimento de onda específico que passa pelo meio de ganho é amplificada (aumenta a potência). O feedback permite que a emissão estimulada amplifique predominantemente a frequência óptica no pico da curva de ganho-frequência. À medida que a emissão estimulada cresce, eventualmente uma frequência domina sobre todas as outras, o que significa que um feixe coerente foi formado. O processo de emissão estimulada é análogo ao de um oscilador de áudio com feedback positivo que pode ocorrer, por exemplo, quando o locutor de um sistema de alto-falante é colocado próximo ao microfone. O guincho que se ouve é a oscilação de áudio no pico da curva de ganho-frequência do amplificador.

Para que o meio de ganho amplifique a luz, ele precisa ser abastecido com energia em um processo chamado bombeamento . A energia é normalmente fornecida como uma corrente elétrica ou como luz em um comprimento de onda diferente. A luz da bomba pode ser fornecida por uma lâmpada de flash ou por outro laser.

O tipo mais comum de laser usa feedback de uma cavidade óptica — um par de espelhos em cada extremidade do meio de ganho. A luz salta para frente e para trás entre os espelhos, passando pelo meio de ganho e sendo amplificada a cada vez. Normalmente, um dos dois espelhos, o acoplador de saída , é parcialmente transparente. Parte da luz escapa através deste espelho. Dependendo do desenho da cavidade (se os espelhos são planos ou curvos ), a luz que sai do laser pode se espalhar ou formar um feixe estreito . Em analogia com os osciladores eletrônicos , esse dispositivo às vezes é chamado de oscilador a laser .

A maioria dos lasers práticos contém elementos adicionais que afetam as propriedades da luz emitida, como a polarização, o comprimento de onda e a forma do feixe.

Física do laser

Os elétrons e como eles interagem com os campos eletromagnéticos são importantes para nossa compreensão da química e da física .

Emissão estimulada

Animação explicando a emissão estimulada e o princípio do laser

Na visão clássica , a energia de um elétron orbitando um núcleo atômico é maior para órbitas mais distantes do núcleo de um átomo . No entanto, os efeitos da mecânica quântica forçam os elétrons a assumir posições discretas nos orbitais . Assim, os elétrons são encontrados em níveis de energia específicos de um átomo, dois dos quais são mostrados abaixo:

Emissão estimulada.svg

Um elétron em um átomo pode absorver energia da luz ( fótons ) ou calor ( fônons ) somente se houver uma transição entre os níveis de energia que corresponda à energia transportada pelo fóton ou fônon. Para a luz, isso significa que qualquer transição específica absorverá apenas um comprimento de onda específico da luz. Os fótons com o comprimento de onda correto podem fazer com que um elétron salte do nível de energia mais baixo para o mais alto. O fóton é consumido neste processo.

Quando um elétron é excitado de um estado para aquele em um nível de energia mais alto com diferença de energia ΔE, ele não permanecerá assim para sempre. Eventualmente, um fóton será criado espontaneamente a partir do vácuo com energia ΔE . Conservando energia, o elétron transita para um nível de energia mais baixo que não está ocupado, com transições para diferentes níveis com diferentes constantes de tempo. Este processo é chamado de “ emissão espontânea ”. A emissão espontânea é um efeito da mecânica quântica e uma manifestação física direta do princípio da incerteza de Heisenberg . O fóton emitido tem direção aleatória, mas seu comprimento de onda corresponde ao comprimento de onda de absorção da transição. Este é o mecanismo de fluorescência e emissão térmica .

Um fóton com o comprimento de onda correto para ser absorvido por uma transição também pode fazer com que um elétron caia do nível mais alto para o mais baixo, emitindo um novo fóton. O fóton emitido corresponde exatamente ao fóton original em comprimento de onda, fase e direção. Este processo é chamado de emissão estimulada .

Ganho médio e cavidade

Uma demonstração de laser de hélio-neon . O brilho que passa pelo centro do tubo é uma descarga elétrica. Este plasma brilhante é o meio de ganho para o laser. O laser produz um ponto minúsculo e intenso na tela à direita. O centro do ponto aparece branco porque a imagem está superexposta ali.
Espectro de um laser de hélio-neon. A largura de banda real é muito mais estreita do que a mostrada; o espectro é limitado pelo aparelho de medição.

O meio de ganho é colocado em um estado excitado por uma fonte externa de energia. Na maioria dos lasers, esse meio consiste em uma população de átomos que foram excitados em tal estado por meio de uma fonte de luz externa, ou um campo elétrico que fornece energia para os átomos absorverem e serem transformados em seus estados excitados.

O meio de ganho de um laser é normalmente um material de pureza, tamanho, concentração e forma controlados, que amplifica o feixe pelo processo de emissão estimulada descrito acima. Este material pode ser de qualquer estado : gás, líquido, sólido ou plasma . O meio de ganho absorve a energia da bomba, o que eleva alguns elétrons para estados quânticos de maior energia (" excitados ") . As partículas podem interagir com a luz absorvendo ou emitindo fótons. A emissão pode ser espontânea ou estimulada. Neste último caso, o fóton é emitido na mesma direção da luz que está passando. Quando o número de partículas em um estado excitado excede o número de partículas em algum estado de energia mais baixa, a inversão populacional é alcançada. Nesse estado, a taxa de emissão estimulada é maior que a taxa de absorção de luz no meio e, portanto, a luz é amplificada. Um sistema com esta propriedade é chamado de amplificador óptico . Quando um amplificador óptico é colocado dentro de uma cavidade óptica ressonante, obtém-se um laser.

Para meios de laser com ganho extremamente alto, chamado superluminescência , é possível que a luz seja suficientemente amplificada em uma única passagem pelo meio de ganho sem a necessidade de um ressonador. Embora muitas vezes referido como um laser (ver, por exemplo , laser de nitrogênio ), a saída de luz de tal dispositivo não tem a coerência espacial e temporal alcançável com lasers. Tal dispositivo não pode ser descrito como um oscilador, mas sim um amplificador óptico de alto ganho que amplifica sua própria emissão espontânea. O mesmo mecanismo descreve os chamados masers /lasers astrofísicos.

O ressonador óptico às vezes é chamado de "cavidade óptica", mas isso é um equívoco: os lasers usam ressonadores abertos em oposição à cavidade literal que seria empregada em frequências de micro-ondas em um maser . O ressonador normalmente consiste em dois espelhos entre os quais um feixe de luz coerente viaja em ambas as direções, refletindo de volta sobre si mesmo, de modo que um fóton médio passe repetidamente pelo meio de ganho antes de ser emitido pela abertura de saída ou perdido por difração ou absorção. Se o ganho (amplificação) no meio for maior que as perdas do ressonador, então a potência da luz recirculante pode aumentar exponencialmente . Mas cada evento de emissão estimulada retorna um átomo de seu estado excitado para o estado fundamental, reduzindo o ganho do meio. Com o aumento da potência do feixe, o ganho líquido (ganho menos perda) reduz à unidade e diz-se que o meio de ganho está saturado. Em um laser de onda contínua (CW), o equilíbrio da potência da bomba contra a saturação de ganho e as perdas da cavidade produz um valor de equilíbrio da potência do laser dentro da cavidade; este equilíbrio determina o ponto de operação do laser. Se a potência da bomba aplicada for muito pequena, o ganho nunca será suficiente para superar as perdas da cavidade e a luz do laser não será produzida. A potência mínima da bomba necessária para iniciar a ação do laser é chamada de limiar do laser . O meio de ganho amplificará quaisquer fótons que passem por ele, independentemente da direção; mas apenas os fótons em um modo espacial suportado pelo ressonador passarão mais de uma vez pelo meio e receberão amplificação substancial.

A luz emitida

Na maioria dos lasers, o laser começa com a emissão espontânea no modo de laser. Esta luz inicial é então amplificada por emissão estimulada no meio de ganho. A emissão estimulada produz luz que corresponde ao sinal de entrada em direção, comprimento de onda e polarização, enquanto a fase da luz emitida é de 90 graus à frente da luz estimulante. Isso, combinado com o efeito de filtragem do ressonador óptico, confere à luz do laser sua coerência característica, podendo dar-lhe polarização uniforme e monocromaticidade, dependendo do projeto do ressonador. A largura de linha do laser fundamental da luz emitida pelo ressonador de laser pode ser ordens de magnitude mais estreita do que a largura de linha da luz emitida pelo ressonador passivo. Alguns lasers usam um semeador de injeção separado para iniciar o processo com um feixe que já é altamente coerente. Isso pode produzir feixes com um espectro mais estreito do que seria possível.

Em 1963, Roy J. Glauber mostrou que estados coerentes são formados a partir de combinações de estados de número de fótons , pelo qual recebeu o Prêmio Nobel de Física . Um feixe de luz coerente é formado por estados de fótons quânticos de frequência única distribuídos de acordo com uma distribuição de Poisson . Como resultado, a taxa de chegada de fótons em um feixe de laser é descrita pela estatística de Poisson.

Muitos lasers produzem um feixe que pode ser aproximado como um feixe gaussiano ; tais vigas têm a mínima divergência possível para um determinado diâmetro de viga. Alguns lasers, particularmente os de alta potência, produzem feixes multimodo, com os modos transversais frequentemente aproximados usando funções Hermite - Gaussianas ou Laguerre - Gaussianas. Alguns lasers de alta potência usam um perfil de topo plano conhecido como " feixe tophat ". Ressonadores de laser instáveis ​​(não usados ​​na maioria dos lasers) produzem feixes em forma de fractal. Sistemas ópticos especializados podem produzir geometrias de feixe mais complexas, como feixes de Bessel e vórtices ópticos .

Perto da "cintura" (ou região focal ) de um feixe de laser, ele é altamente colimado : as frentes de onda são planares, normais à direção de propagação, sem divergência de feixe nesse ponto. No entanto, devido à difração , isso só pode permanecer verdadeiro dentro da faixa de Rayleigh . O feixe de um único laser de modo transversal (feixe gaussiano) eventualmente diverge em um ângulo que varia inversamente com o diâmetro do feixe, conforme exigido pela teoria da difração . Assim, o "feixe de lápis" gerado diretamente por um laser comum de hélio-neon se espalharia para um tamanho de talvez 500 quilômetros quando brilhasse na Lua (da distância da Terra). Por outro lado, a luz de um laser semicondutor normalmente sai do minúsculo cristal com uma grande divergência: até 50°. No entanto, mesmo um feixe tão divergente pode ser transformado em um feixe colimado semelhante por meio de um sistema de lentes , como sempre incluído, por exemplo, em um ponteiro laser cuja luz se origina de um diodo laser . Isso é possível devido à luz ser de um único modo espacial. Esta propriedade única da luz laser, coerência espacial , não pode ser replicada usando fontes de luz padrão (exceto descartando a maior parte da luz), como pode ser apreciado comparando o feixe de uma lanterna (tocha) ou holofote com o de quase qualquer laser.

Um perfilador de feixe de laser é usado para medir o perfil de intensidade, largura e divergência dos feixes de laser.

A reflexão difusa de um feixe de laser de uma superfície fosca produz um padrão de manchas com propriedades interessantes.

Processos de emissão quântica vs. clássicos

O mecanismo de produção de radiação em um laser depende da emissão estimulada , onde a energia é extraída de uma transição em um átomo ou molécula. Este é um fenômeno quântico que foi previsto por Albert Einstein , que derivou a relação entre o coeficiente A que descreve a emissão espontânea e o coeficiente B que se aplica à absorção e emissão estimulada. No entanto, no caso do laser de elétrons livres , os níveis de energia atômica não estão envolvidos; parece que o funcionamento deste dispositivo bastante exótico pode ser explicado sem referência à mecânica quântica .

Modos de operação contínuos e pulsados

Medições Lidar da topografia lunar feitas pela missão Clementine .
Rede sem fio óptica ponto a ponto Laserlink
Mercury Laser Altímetro (MLA) da espaçonave MESSENGER

Um laser pode ser classificado como operando em modo contínuo ou pulsado, dependendo se a saída de energia é essencialmente contínua ao longo do tempo ou se sua saída assume a forma de pulsos de luz em uma ou outra escala de tempo. É claro que mesmo um laser cuja saída é normalmente contínua pode ser ligado e desligado intencionalmente em alguma taxa para criar pulsos de luz. Quando a taxa de modulação está em escalas de tempo muito mais lentas do que a vida útil da cavidade e o período de tempo durante o qual a energia pode ser armazenada no meio laser ou mecanismo de bombeamento, ele ainda é classificado como um laser de onda contínua "modulado" ou "pulsado". A maioria dos diodos laser usados ​​em sistemas de comunicação se enquadra nessa categoria.

Operação de onda contínua

Algumas aplicações dos lasers dependem de um feixe cuja potência de saída é constante ao longo do tempo. Esse tipo de laser é conhecido como laser de onda contínua ( CW ). Muitos tipos de lasers podem ser feitos para operar em modo de onda contínua para satisfazer tal aplicação. Muitos desses lasers realmente lascam em vários modos longitudinais ao mesmo tempo, e as batidas entre as frequências ópticas ligeiramente diferentes dessas oscilações produzirão, de fato, variações de amplitude em escalas de tempo mais curtas do que o tempo de ida e volta (o recíproco da frequência espaçamento entre os modos), normalmente alguns nanossegundos ou menos. Na maioria dos casos, esses lasers ainda são chamados de "onda contínua", pois sua potência de saída é constante quando calculada em períodos de tempo mais longos, com as variações de potência de alta frequência tendo pouco ou nenhum impacto na aplicação pretendida. (No entanto, o termo não é aplicado a lasers com modo bloqueado , onde a intenção é criar pulsos muito curtos na taxa do tempo de ida e volta.)

Para operação de onda contínua, é necessário que a inversão de população do meio de ganho seja continuamente reabastecida por uma fonte de bomba constante. Em alguns meios de laser, isso é impossível. Em alguns outros lasers, seria necessário bombear o laser a um nível de potência contínuo muito alto, o que seria impraticável ou destruiria o laser produzindo calor excessivo. Esses lasers não podem ser executados no modo CW.

Operação pulsada

A operação pulsada de lasers refere-se a qualquer laser não classificado como onda contínua, de modo que a potência óptica apareça em pulsos de certa duração e alguma taxa de repetição. Isso abrange uma ampla gama de tecnologias que abordam uma série de motivações diferentes. Alguns lasers são pulsados ​​simplesmente porque não podem ser executados em modo contínuo .

Em outros casos, a aplicação requer a produção de pulsos com a maior energia possível. Como a energia do pulso é igual à potência média dividida pela taxa de repetição, esse objetivo às vezes pode ser satisfeito diminuindo a taxa de pulsos para que mais energia possa ser acumulada entre os pulsos. Na ablação a laser , por exemplo, um pequeno volume de material na superfície de uma peça de trabalho pode ser evaporado se for aquecido em um tempo muito curto, enquanto o fornecimento de energia gradualmente permitiria que o calor fosse absorvido pela maior parte do material. peça, nunca atingindo uma temperatura suficientemente alta em um determinado ponto.

Outras aplicações dependem da potência de pulso de pico (em vez da energia no pulso), especialmente para obter efeitos ópticos não lineares . Para uma determinada energia de pulso, isso requer a criação de pulsos da menor duração possível, utilizando técnicas como Q-switching .

A largura de banda óptica de um pulso não pode ser mais estreita que o recíproco da largura de pulso. No caso de pulsos extremamente curtos, isso implica o laser em uma largura de banda considerável, ao contrário das larguras de banda muito estreitas típicas dos lasers CW. O meio de laser em alguns lasers de corante e lasers de estado sólido vibrônicos produz ganho óptico em uma ampla largura de banda, tornando possível um laser que pode gerar pulsos de luz tão curtos quanto alguns femtossegundos (10-15 s ).

Comutação Q

Em um laser Q-switched, permite-se que a inversão de população aumente pela introdução de uma perda dentro do ressonador que excede o ganho do meio; isso também pode ser descrito como uma redução do fator de qualidade ou 'Q' da cavidade. Então, após a energia da bomba armazenada no meio laser ter se aproximado do nível máximo possível, o mecanismo de perda introduzido (muitas vezes um elemento eletro- ou acusto-óptico) é rapidamente removido (ou que ocorre sozinho em um dispositivo passivo), permitindo que o laser para começar que obtém rapidamente a energia armazenada no meio de ganho. Isso resulta em um pulso curto incorporando essa energia e, portanto, uma alta potência de pico.

Bloqueio de modo

Um laser de modo bloqueado é capaz de emitir pulsos extremamente curtos na ordem de dezenas de picossegundos até menos de 10  femtossegundos . Esses pulsos se repetem no tempo de ida e volta, ou seja, o tempo que a luz leva para completar uma volta entre os espelhos que compõem o ressonador. Devido ao limite de Fourier (também conhecido como incerteza de energia-tempo ), um pulso de comprimento temporal tão curto tem um espectro espalhado por uma largura de banda considerável. Assim, tal meio de ganho deve ter uma largura de banda de ganho suficientemente ampla para amplificar essas frequências. Um exemplo de um material adequado é a safira cultivada artificialmente dopada com titânio ( Ti:safira ), que tem uma largura de banda de ganho muito ampla e pode, portanto, produzir pulsos de apenas alguns femtossegundos de duração.

Esses lasers de modo bloqueado são a ferramenta mais versátil para pesquisar processos que ocorrem em escalas de tempo extremamente curtas (conhecidas como física de femtossegundos, química de femtossegundos e ciência ultrarrápida ), para maximizar o efeito da não linearidade em materiais ópticos (por exemplo, na geração de segunda harmônica , paramétrica conversão descendente , osciladores paramétricos ópticos e semelhantes). Ao contrário do pulso gigante de um laser Q-switched, os pulsos consecutivos de um laser de modo bloqueado são coerentes em fase, ou seja, os pulsos (e não apenas seus envelopes ) são idênticos e perfeitamente periódicos. Por esta razão, e pelas potências de pico extremamente grandes alcançadas por pulsos tão curtos, esses lasers são inestimáveis ​​em certas áreas de pesquisa.

Bombeamento pulsado

Outro método para conseguir a operação do laser pulsado é bombear o material do laser com uma fonte que é pulsada, seja por meio de carregamento eletrônico no caso de lâmpadas de flash, ou outro laser já pulsado. O bombeamento pulsado foi historicamente usado com lasers de corante, onde o tempo de vida da população invertida de uma molécula de corante era tão curto que era necessária uma bomba rápida e de alta energia. A maneira de superar esse problema foi carregar grandes capacitores que são então comutados para descarregar através de lâmpadas de flash, produzindo um flash intenso. O bombeamento pulsado também é necessário para lasers de três níveis, nos quais o nível de energia mais baixo rapidamente se torna altamente populoso, evitando mais lasers até que esses átomos relaxem para o estado fundamental. Esses lasers, como o laser excimer e o laser de vapor de cobre, nunca podem ser operados no modo CW.

História

Fundações

Em 1917, Albert Einstein estabeleceu os fundamentos teóricos para o laser e o maser no artigo Zur Quantentheorie der Strahlung (Sobre a teoria quântica da radiação) através de uma re-derivação da lei da radiação de Max Planck , conceitualmente baseada em coeficientes de probabilidade ( Coeficientes de Einstein ) para absorção, emissão espontânea e emissão estimulada de radiação eletromagnética. Em 1928, Rudolf W. Ladenburg confirmou a existência dos fenômenos de emissão estimulada e absorção negativa. Em 1939, Valentin A. Fabrikant previu o uso de emissão estimulada para amplificar ondas "curtas". Em 1947, Willis E. Lamb e RC Retherford encontraram uma emissão estimulada aparente em espectros de hidrogênio e efetuaram a primeira demonstração de emissão estimulada. Em 1950, Alfred Kastler (Prêmio Nobel de Física de 1966) propôs o método de bombeamento óptico , que foi demonstrado experimentalmente dois anos depois por Brossel, Kastler e Winter.

Maser

Em 1951, Joseph Weber apresentou um artigo sobre o uso de emissões estimuladas para fazer um amplificador de microondas para a Conferência de Pesquisa de Tubos de Vácuo do Instituto de Engenheiros de Rádio em junho de 1952 em Ottawa , Ontário, Canadá. Após essa apresentação, a RCA pediu a Weber que desse um seminário sobre essa ideia, e Charles Hard Townes pediu-lhe uma cópia do artigo.

Em 1953, Charles Hard Townes e os estudantes de pós-graduação James P. Gordon e Herbert J. Zeiger produziram o primeiro amplificador de micro-ondas, um dispositivo que opera em princípios semelhantes ao laser, mas amplifica a radiação de micro - ondas em vez de radiação infravermelha ou visível. O maser de Townes era incapaz de saída contínua. Enquanto isso, na União Soviética, Nikolay Basov e Aleksandr Prokhorov estavam trabalhando independentemente no oscilador quântico e resolveram o problema dos sistemas de saída contínua usando mais de dois níveis de energia. Esses meios de ganho podem liberar emissões estimuladas entre um estado excitado e um estado excitado inferior, não o estado fundamental, facilitando a manutenção de uma inversão populacional . Em 1955, Prokhorov e Basov sugeriram o bombeamento óptico de um sistema multinível como método para obter a inversão populacional, posteriormente um método principal de bombeamento a laser.

Townes relata que vários físicos eminentes - entre eles Niels Bohr , John von Neumann e Llewellyn Thomas - argumentaram que o maser violava o princípio da incerteza de Heisenberg e, portanto, não poderia funcionar. Outros, como Isidor Rabi e Polykarp Kusch , esperavam que fosse impraticável e não valesse o esforço. Em 1964, Charles H. Townes, Nikolay Basov e Aleksandr Prokhorov dividiram o Prêmio Nobel de Física , "pelo trabalho fundamental no campo da eletrônica quântica, que levou à construção de osciladores e amplificadores baseados no princípio maser-laser".

Laser

Em abril de 1957, o engenheiro japonês Jun-ichi Nishizawa propôs o conceito de um " maser óptico semicondutor " em um pedido de patente.

Áudio externo
ícone de áudio “O Homem, o Mito, o Laser” , Destilations Podcast, Science History Institute

Nesse mesmo ano, Charles Hard Townes e Arthur Leonard Schawlow , então no Bell Labs , começaram um estudo sério de "masers ópticos" infravermelhos. À medida que as ideias se desenvolveram, eles abandonaram a radiação infravermelha para se concentrar na luz visível . Em 1958, a Bell Labs apresentou um pedido de patente para seu maser óptico proposto; e Schawlow e Townes submeteram um manuscrito de seus cálculos teóricos à Physical Review , que foi publicado em 1958.

Caderno LASER: Primeira página do caderno em que Gordon Gould cunhou a sigla LASER e descreveu os elementos necessários para construir um. Texto do manuscrito: "Alguns cálculos aproximados sobre a viabilidade / de um LASER: Amplificação de Luz por Estimulada / Emissão de Radiação. / Conceber um tubo terminado por opticamente plano / [Esboço de um tubo] / espelhos paralelos parcialmente refletindo..."

Simultaneamente, na Universidade de Columbia , o estudante de pós-graduação Gordon Gould estava trabalhando em uma tese de doutorado sobre os níveis de energia do tálio excitado . Quando Gould e Townes se encontraram, falaram de emissão de radiação , como um assunto geral; depois, em novembro de 1957, Gould anotou suas idéias para um "laser", incluindo o uso de um ressonador aberto (mais tarde um componente essencial do dispositivo a laser). Além disso, em 1958, Prokhorov propôs independentemente o uso de um ressonador aberto, a primeira aparição publicada dessa ideia. Enquanto isso, Schawlow e Townes decidiram por um projeto de laser de ressonador aberto – aparentemente desconhecendo as publicações de Prokhorov e o trabalho de laser inédito de Gould.

Em uma conferência em 1959, Gordon Gould publicou pela primeira vez o acrônimo "LASER" no artigo The LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation . A intenção de Gould era que diferentes acrônimos "-ASER" fossem usados ​​para diferentes partes do espectro: "XASER" para raios-x, "UVASER" para ultravioleta, etc. "LASER" acabou se tornando o termo genérico para dispositivos não micro-ondas , embora "RASER" foi brevemente popular para denotar dispositivos emissores de radiofrequência.

As notas de Gould incluíam possíveis aplicações para um laser, como espectrometria , interferometria , radar e fusão nuclear . Ele continuou desenvolvendo a ideia, e registrou um pedido de patente em abril de 1959. O US Patent Office negou seu pedido e concedeu uma patente à Bell Labs , em 1960. Isso provocou um processo de 28 anos , apresentando prestígio científico e dinheiro como as apostas. Gould ganhou sua primeira patente menor em 1977, mas não foi até 1987 que ele ganhou a primeira vitória significativa no processo de patente, quando um juiz federal ordenou que o Escritório de Patentes dos EUA emitisse patentes para Gould para os dispositivos a laser de bombeamento óptico e de descarga de gás . A questão de como atribuir crédito pela invenção do laser permanece sem solução pelos historiadores.

Em 16 de maio de 1960, Theodore H. Maiman operou o primeiro laser em funcionamento nos Laboratórios de Pesquisa Hughes , Malibu, Califórnia, à frente de várias equipes de pesquisa, incluindo as de Townes , na Universidade de Columbia , Arthur Schawlow , no Bell Labs , e Gould, no a empresa TRG (Technical Research Group). O laser funcional de Maiman usou um cristal de rubi sintético bombeado por lanterna para produzir luz laser vermelha com comprimento de onda de 694 nanômetros. O dispositivo só era capaz de operação pulsada, devido ao seu esquema de design de bombeamento de três níveis. Mais tarde naquele ano, o físico iraniano Ali Javan , e William R. Bennett e Donald Herriott , construíram o primeiro laser a gás , usando hélio e néon , capaz de operação contínua no infravermelho (Patente dos EUA 3.149.290); mais tarde, Javan recebeu o Albert Einstein World Award of Science em 1993. Basov e Javan propuseram o conceito de diodo laser semicondutor. Em 1962, Robert N. Hall demonstrou o primeiro dispositivo de diodo laser , que era feito de arseneto de gálio e emitido na faixa do infravermelho próximo do espectro em 850 nm. Mais tarde naquele ano, Nick Holonyak Jr. demonstrou o primeiro laser semicondutor com emissão visível. Este primeiro laser semicondutor só poderia ser usado em operação de feixe pulsado e quando resfriado a temperaturas de nitrogênio líquido (77 K). Em 1970, Zhores Alferov , na URSS, e Izuo Hayashi e Morton Panish, da Bell Telephone Laboratories, também desenvolveram independentemente lasers de diodo de operação contínua e temperatura ambiente, usando a estrutura de heterojunção .

Inovações recentes

Gráfico mostrando o histórico da intensidade máxima de pulso do laser ao longo dos últimos 40 anos.

Desde o período inicial da história do laser, a pesquisa sobre laser produziu uma variedade de tipos de laser aprimorados e especializados, otimizados para diferentes objetivos de desempenho, incluindo:

  • novas bandas de comprimento de onda
  • potência de saída média máxima
  • pico máximo de energia de pulso
  • potência máxima de pulso de pico
  • duração mínima do pulso de saída
  • largura de linha mínima
  • máxima eficiência de energia
  • custo mínimo

e esta pesquisa continua até hoje.

Em 2015, os pesquisadores fizeram um laser branco, cuja luz é modulada por uma nanofolha sintética feita de zinco, cádmio, enxofre e selênio que pode emitir luz vermelha, verde e azul em proporções variadas, com cada comprimento de onda abrangendo 191 nm.

Em 2017, pesquisadores da TU Delft demonstraram um laser de micro -ondas de junção AC Josephson . Como o laser opera no regime supercondutor, é mais estável do que outros lasers baseados em semicondutores. O dispositivo tem potencial para aplicações em computação quântica . Em 2017, pesquisadores da TU Munich demonstraram o menor laser de bloqueio de modo capaz de emitir pares de pulsos de laser de picossegundos com uma frequência de repetição de até 200 GHz.

Em 2017, pesquisadores do Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) , juntamente com pesquisadores norte-americanos do JILA , instituto conjunto do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e da Universidade do Colorado Boulder , estabeleceram um novo recorde mundial ao desenvolver um laser de fibra dopado com érbio com largura de linha de apenas 10 milihertz.

Tipos e princípios de funcionamento

Comprimentos de onda de lasers comercialmente disponíveis. Tipos de laser com linhas de laser distintas são mostrados acima da barra de comprimento de onda, enquanto abaixo são mostrados lasers que podem emitir em uma faixa de comprimento de onda. A cor codifica o tipo de material do laser (veja a descrição da figura para mais detalhes).

Lasers a gás

Após a invenção do laser de gás HeNe, descobriu-se que muitas outras descargas de gás amplificam a luz de forma coerente. Lasers de gás usando muitos gases diferentes foram construídos e usados ​​para muitas finalidades. O laser de hélio-neon (HeNe) é capaz de operar em vários comprimentos de onda diferentes, porém a grande maioria é projetada para laser em 633 nm; esses lasers de custo relativamente baixo, mas altamente coerentes, são extremamente comuns em pesquisas ópticas e laboratórios educacionais. Os lasers comerciais de dióxido de carbono (CO 2 ) podem emitir muitas centenas de watts em um único modo espacial que pode ser concentrado em um ponto minúsculo. Esta emissão está no infravermelho térmico a 10,6 µm; tais lasers são usados ​​regularmente na indústria para corte e soldagem. A eficiência de um laser de CO 2 é extraordinariamente alta: mais de 30%. Os lasers de íons de argônio podem operar em várias transições de laser entre 351 e 528,7 nm. Dependendo do projeto óptico, uma ou mais dessas transições podem ser laser simultaneamente; as linhas mais comumente usadas são 458 nm, 488 nm e 514,5 nm. Um laser de descarga elétrica transversal de nitrogênio em gás à pressão atmosférica (TEA) é um laser de gás barato, muitas vezes construído em casa por amadores, que produz luz UV bastante incoerente em 337,1 nm. Os lasers de íons metálicos são lasers de gás que geram comprimentos de onda ultravioleta profundos . Hélio -prata (HeAg) 224 nm e néon - cobre (NeCu) 248 nm são dois exemplos. Como todos os lasers de gás de baixa pressão, os meios de ganho desses lasers têm larguras de linha de oscilação bastante estreitas , inferiores a 3 GHz (0,5 picômetros ), tornando-os candidatos para uso em espectroscopia Raman com supressão de fluorescência .

O laser sem manter o meio excitado em uma inversão populacional foi demonstrado em 1992 em gás sódio e novamente em 1995 em gás rubídio por várias equipes internacionais. Isso foi realizado usando um maser externo para induzir "transparência óptica" no meio, introduzindo e interferindo destrutivamente nas transições de elétrons do solo entre dois caminhos, de modo que a probabilidade de os elétrons do solo absorverem qualquer energia foi cancelada.

Lasers químicos

Os lasers químicos são alimentados por uma reação química que permite que uma grande quantidade de energia seja liberada rapidamente. Esses lasers de potência muito alta são especialmente de interesse para os militares, no entanto, lasers químicos de onda contínua em níveis de potência muito altos, alimentados por fluxos de gases, foram desenvolvidos e têm algumas aplicações industriais. Como exemplos, no laser de fluoreto de hidrogênio (2700-2900 nm) e no laser de fluoreto de deutério (3800 nm) a reação é a combinação de gás hidrogênio ou deutério com produtos de combustão de etileno em trifluoreto de nitrogênio .

Excimer lasers

Excimer lasers são um tipo especial de laser de gás alimentado por uma descarga elétrica em que o meio de laser é um excimer , ou mais precisamente um exciplex em projetos existentes. São moléculas que só podem existir com um átomo em estado eletrônico excitado . Uma vez que a molécula transfere sua energia de excitação para um fóton, seus átomos não estão mais ligados uns aos outros e a molécula se desintegra. Isso reduz drasticamente a população do estado de energia mais baixa, facilitando muito a inversão da população. Os excímeros usados ​​atualmente são todos compostos de gases nobres ; os gases nobres são quimicamente inertes e só podem formar compostos em estado excitado. Excimer lasers normalmente operam em comprimentos de onda ultravioleta com aplicações principais, incluindo fotolitografia de semicondutores e cirurgia ocular LASIK . Moléculas de excimer comumente usadas incluem ArF (emissão a 193 nm), KrCl (222 nm), KrF (248 nm), XeCl (308 nm) e XeF (351 nm). O laser de flúor molecular , emitindo a 157 nm no ultravioleta de vácuo, às vezes é chamado de laser excimer, no entanto, isso parece ser um equívoco, uma vez que F2 é um composto estável.

Lasers de estado sólido

Um FASOR de 50 W , baseado em um laser Nd:YAG, usado no Starfire Optical Range

Os lasers de estado sólido usam um bastão cristalino ou de vidro que é "dopado" com íons que fornecem os estados de energia necessários. Por exemplo, o primeiro laser em funcionamento foi um laser de rubi , feito de rubi ( corindo dopado com cromo ). A inversão populacional é realmente mantida no dopante. Esses materiais são bombeados opticamente usando um comprimento de onda mais curto que o comprimento de onda do laser, geralmente de um tubo de flash ou de outro laser. O uso do termo "estado sólido" na física do laser é mais restrito do que no uso típico. Os lasers semicondutores (diodos de laser) normalmente não são chamados de lasers de estado sólido.

O neodímio é um dopante comum em vários cristais de laser de estado sólido, incluindo ortovanadato de ítrio ( Nd:YVO 4 ), fluoreto de ítrio-lítio ( Nd:YLF ) e granada de ítrio-alumínio ( Nd:YAG ). Todos esses lasers podem produzir altas potências no espectro infravermelho em 1064 nm. Eles são usados ​​para corte, soldagem e marcação de metais e outros materiais, e também em espectroscopia e para bombeamento de lasers de corante . Esses lasers também são comumente duplicados , triplicados ou quadruplicados para produzir feixes de 532 nm (verde, visível), 355 nm e 266 nm ( UV ), respectivamente. Os lasers de estado sólido bombeados por diodo (DPSS) de frequência dupla são usados ​​para fazer ponteiros laser verdes brilhantes.

Itérbio , hólmio , túlio e érbio são outros "dopantes" comuns em lasers de estado sólido. O itérbio é usado em cristais como Yb:YAG, Yb:KGW, Yb:KYW, Yb:SYS, Yb:BOYS, Yb:CaF 2 , normalmente operando em torno de 1020-1050 nm. Eles são potencialmente muito eficientes e de alta potência devido a um pequeno defeito quântico. Potências extremamente altas em pulsos ultracurtos podem ser alcançadas com Yb:YAG. Os cristais YAG dopados com hólmio emitem a 2097 nm e formam um laser eficiente operando em comprimentos de onda infravermelhos fortemente absorvidos pelos tecidos que contêm água. O Ho-YAG é geralmente operado em modo pulsado e passado por dispositivos cirúrgicos de fibra óptica para ressurgir articulações, remover a podridão dos dentes, vaporizar cânceres e pulverizar cálculos renais e biliares.

A safira dopada com titânio ( Ti:safira ) produz um laser infravermelho altamente ajustável , comumente usado para espectroscopia . Também é notável para uso como um laser de modo bloqueado que produz pulsos ultracurtos de potência de pico extremamente alta.

As limitações térmicas em lasers de estado sólido surgem da potência da bomba não convertida que aquece o meio. Este calor, quando acoplado a um alto coeficiente termo-óptico (d n /d T ) pode causar lentes térmicas e reduzir a eficiência quântica. Os lasers de disco fino bombeados por diodo superam esses problemas por terem um meio de ganho muito mais fino que o diâmetro do feixe da bomba. Isso permite uma temperatura mais uniforme no material. Lasers de disco fino têm demonstrado produzir feixes de até um quilowatt.

Lasers de fibra

Lasers de estado sólido ou amplificadores de laser onde a luz é guiada devido à reflexão interna total em uma fibra óptica de modo único são chamados de lasers de fibra . A orientação da luz permite regiões de ganho extremamente longas proporcionando boas condições de resfriamento; As fibras têm alta área de superfície em relação ao volume, o que permite um resfriamento eficiente. Além disso, as propriedades de guia de onda da fibra tendem a reduzir a distorção térmica do feixe. Íons de érbio e itérbio são espécies ativas comuns em tais lasers.

Muitas vezes, o laser de fibra é projetado como uma fibra de revestimento duplo . Este tipo de fibra consiste em um núcleo de fibra, um revestimento interno e um revestimento externo. O índice das três camadas concêntricas é escolhido de modo que o núcleo da fibra atue como uma fibra monomodo para a emissão do laser, enquanto o revestimento externo atua como um núcleo altamente multimodo para o laser da bomba. Isso permite que a bomba propague uma grande quantidade de energia para dentro e através da região do núcleo interno ativo, enquanto ainda possui uma alta abertura numérica (NA) para ter condições de lançamento fáceis.

A luz da bomba pode ser usada com mais eficiência criando um laser de disco de fibra ou uma pilha desses lasers.

Os lasers de fibra têm um limite fundamental em que a intensidade da luz na fibra não pode ser tão alta que não linearidades ópticas induzidas pela força do campo elétrico local possam se tornar dominantes e impedir a operação do laser e/ou levar à destruição do material da fibra. Este efeito é chamado de fotoescurecimento . Em materiais a laser a granel, o resfriamento não é tão eficiente, e é difícil separar os efeitos do fotoescurecimento dos efeitos térmicos, mas os experimentos em fibras mostram que o fotoescurecimento pode ser atribuído à formação de centros de cor de longa duração .

Lasers de cristal fotônico

Os lasers de cristal fotônico são lasers baseados em nanoestruturas que fornecem o confinamento de modo e a estrutura de densidade de estados ópticos (DOS) necessários para que o feedback ocorra. Eles são típicos do tamanho de um micrômetro e ajustáveis ​​nas bandas dos cristais fotônicos.

Lasers semicondutores

Um diodo laser comercial 'lata fechada' de 5,6 mm, como os usados ​​em um CD ou DVD player

Lasers semicondutores são diodos que são bombeados eletricamente. A recombinação de elétrons e buracos criados pela corrente aplicada introduz ganho óptico. A reflexão das extremidades do cristal forma um ressonador óptico, embora o ressonador possa ser externo ao semicondutor em alguns projetos.

Os diodos laser comerciais emitem em comprimentos de onda de 375 nm a 3500 nm. Diodos laser de baixa a média potência são usados ​​em ponteiros laser , impressoras a laser e leitores de CD/DVD. Diodos de laser também são frequentemente usados ​​para bombear opticamente outros lasers com alta eficiência. Os diodos laser industriais de maior potência, com potência de até 20 kW, são usados ​​na indústria para corte e soldagem. Os lasers semicondutores de cavidade externa têm um meio ativo semicondutor em uma cavidade maior. Esses dispositivos podem gerar saídas de alta potência com boa qualidade de feixe, radiação de largura de linha estreita ajustável por comprimento de onda ou pulsos de laser ultracurtos.

Em 2012, a Nichia e a OSRAM desenvolveram e fabricaram diodos laser verdes comerciais de alta potência (515/520 nm), que competem com os tradicionais lasers de estado sólido bombeados por diodo.

Os lasers de emissão de superfície de cavidade vertical ( VCSELs ) são lasers semicondutores cuja direção de emissão é perpendicular à superfície do wafer. Os dispositivos VCSEL normalmente têm um feixe de saída mais circular do que os diodos laser convencionais. A partir de 2005, apenas VCSELs de 850 nm estão amplamente disponíveis, com VCSELs de 1300 nm começando a ser comercializados e dispositivos de 1550 nm uma área de pesquisa. VECSELs são VCSELs de cavidade externa. Os lasers quânticos em cascata são lasers semicondutores que possuem uma transição ativa entre as sub-bandas de energia de um elétron em uma estrutura contendo vários poços quânticos .

O desenvolvimento de um laser de silício é importante no campo da computação óptica . O silício é o material de escolha para circuitos integrados e, portanto, componentes eletrônicos e fotônicos de silício (como interconexões ópticas ) podem ser fabricados no mesmo chip. Infelizmente, o silício é um material de laser difícil de lidar, pois possui certas propriedades que bloqueiam o laser. No entanto, recentemente, as equipes produziram lasers de silício por meio de métodos como a fabricação do material do laser a partir de silício e outros materiais semicondutores, como fosforeto de índio(III) ou arseneto de gálio(III) , materiais que permitem que a luz coerente seja produzida a partir de silício. Estes são chamados de laser de silício híbrido . Desenvolvimentos recentes também mostraram o uso de lasers de nanofios monoliticamente integrados diretamente no silício para interconexões ópticas, abrindo caminho para aplicações em nível de chip. Esses lasers de nanofios de heteroestrutura capazes de interconexões ópticas em silício também são capazes de emitir pares de pulsos de picossegundos com uma frequência de repetição de até 200 GHz, permitindo o processamento de sinais ópticos no chip. Outro tipo é um laser Raman , que aproveita o espalhamento Raman para produzir um laser a partir de materiais como o silício.

Lasers de corante

Close de um laser de corante de mesa baseado em Rodamina 6G

Os lasers de corante usam um corante orgânico como meio de ganho. O amplo espectro de ganho dos corantes disponíveis, ou misturas de corantes, permite que esses lasers sejam altamente sintonizáveis ​​ou produzam pulsos de duração muito curta ( da ordem de alguns femtossegundos ). Embora esses lasers sintonizáveis ​​sejam conhecidos principalmente em sua forma líquida, os pesquisadores também demonstraram emissão sintonizável de largura de linha estreita em configurações de oscilador dispersivo incorporando meios de ganho de corante em estado sólido. Em sua forma mais prevalente, esses lasers de corante de estado sólido usam polímeros dopados com corante como mídia de laser.

Lasers de elétrons livres

O laser de elétrons livres FELIX no FOM Institute for Plasma Physics Rijnhuizen, Nieuwegein

Os lasers de elétrons livres , ou FELs, geram radiação coerente e de alta potência que é amplamente sintonizável, atualmente variando em comprimento de onda de microondas através de radiação terahertz e infravermelho até o espectro visível, até raios X suaves. Eles têm a faixa de frequência mais ampla de qualquer tipo de laser. Enquanto os feixes FEL compartilham as mesmas características ópticas que outros lasers, como radiação coerente, a operação FEL é bem diferente. Ao contrário dos lasers de gás, líquido ou de estado sólido, que dependem de estados atômicos ou moleculares ligados, os FELs usam um feixe de elétrons relativístico como meio de laser, daí o termo elétron livre .

Mídia exótica

A busca de um laser de alta energia quântica usando transições entre estados isoméricos de um núcleo atômico tem sido objeto de ampla pesquisa acadêmica desde o início da década de 1970. Muito disso está resumido em três artigos de revisão. Esta pesquisa foi de âmbito internacional, mas principalmente baseada na antiga União Soviética e nos Estados Unidos. Enquanto muitos cientistas permanecem otimistas de que um avanço está próximo, um laser de raios gama operacional ainda está para ser realizado.

Alguns dos primeiros estudos foram direcionados para pulsos curtos de nêutrons excitando o estado isômero superior em um sólido para que a transição de raios gama pudesse se beneficiar do estreitamento de linha do efeito Mössbauer . Em conjunto, várias vantagens eram esperadas do bombeamento em dois estágios de um sistema de três níveis. Foi conjecturado que o núcleo de um átomo, embutido no campo próximo de uma nuvem de elétrons coerentemente oscilante acionada por laser, experimentaria um campo de dipolo maior do que o do laser de condução. Além disso, a não linearidade da nuvem oscilante produziria harmônicos espaciais e temporais, de modo que transições nucleares de multipolaridade mais alta também poderiam ser conduzidas em múltiplos da frequência do laser.

Em setembro de 2007, a BBC News informou que havia especulações sobre a possibilidade de usar a aniquilação de positrônio para acionar um laser de raios gama muito poderoso . O Dr. David Cassidy, da Universidade da Califórnia, Riverside, propôs que um único laser desse tipo pudesse ser usado para acender uma reação de fusão nuclear , substituindo os bancos de centenas de lasers atualmente empregados em experimentos de fusão de confinamento inercial .

Lasers de raios X baseados no espaço bombeados por uma explosão nuclear também foram propostos como armas antimísseis. Tais dispositivos seriam armas de um tiro.

Células vivas têm sido usadas para produzir luz laser. As células foram geneticamente modificadas para produzir proteína verde fluorescente , que serviu como meio de ganho do laser. As células foram então colocadas entre dois espelhos de 20 micrômetros de largura, que atuaram como a cavidade do laser. Quando a célula era iluminada com luz azul, ela emitia uma luz laser verde intensa e direcionada.

Lasers naturais

Como masers astrofísicos , gases planetários ou estelares irradiados podem amplificar a luz produzindo um laser natural. Marte , Vênus e MWC 349 exibem esse fenômeno.

Usos

Os lasers variam em tamanho, desde lasers de diodo microscópicos (topo) com inúmeras aplicações, até lasers de vidro de neodímio do tamanho de um campo de futebol (abaixo) usados ​​para fusão de confinamento inercial , pesquisa de armas nucleares e outros experimentos físicos de alta densidade de energia.

Quando os lasers foram inventados em 1960, eles foram chamados de "uma solução à procura de um problema". Desde então, eles se tornaram onipresentes, encontrando utilidade em milhares de aplicações altamente variadas em todos os setores da sociedade moderna, incluindo eletrônicos de consumo , tecnologia da informação, ciência, medicina, indústria, aplicação da lei , entretenimento e militares . A comunicação por fibra óptica usando lasers é uma tecnologia fundamental nas comunicações modernas, permitindo serviços como a Internet .

O primeiro uso amplamente perceptível de lasers foi o scanner de código de barras de supermercado , introduzido em 1974. O laserdisc player, lançado em 1978, foi o primeiro produto de consumo bem-sucedido a incluir um laser, mas o compact disc player foi o primeiro dispositivo equipado com laser a se tornar comum , começando em 1982 seguido logo por impressoras a laser .

Alguns outros usos são:

Em 2004, excluindo os lasers de diodo, aproximadamente 131.000 lasers foram vendidos no valor de US$ 2,19 bilhões. No mesmo ano, aproximadamente 733 milhões de lasers de diodo, avaliados em US$ 3,20 bilhões, foram vendidos.

Em medicina

Os lasers têm muitos usos na medicina, incluindo cirurgia a laser (particularmente cirurgia ocular ), cicatrização a laser, tratamento de cálculos renais , oftalmoscopia e tratamentos cosméticos da pele, como tratamento de acne , redução de celulite e estrias e depilação .

Os lasers são usados ​​para tratar o câncer encolhendo ou destruindo tumores ou crescimentos pré-cancerosos. Eles são mais comumente usados ​​para tratar cânceres superficiais que estão na superfície do corpo ou no revestimento dos órgãos internos. Eles são usados ​​para tratar o câncer de pele basocelular e os estágios iniciais de outros, como câncer cervical , peniano , vaginal , vulvar e de pulmão de células não pequenas . A terapia a laser é frequentemente combinada com outros tratamentos, como cirurgia , quimioterapia ou radioterapia . A termoterapia intersticial induzida por laser (LITT), ou fotocoagulação a laser intersticial , usa lasers para tratar alguns cânceres usando hipertermia, que usa calor para encolher tumores danificando ou matando células cancerígenas. Os lasers são mais precisos do que os métodos de cirurgia tradicionais e causam menos danos, dor, sangramento , inchaço e cicatrizes. Uma desvantagem é que os cirurgiões devem ter treinamento especializado. Pode ser mais caro do que outros tratamentos.

Como armas

Uma arma a laser é um laser que é usado como uma arma de energia direcionada .

A arma de alta energia tática EUA-Israel tem sido usada para derrubar foguetes e projéteis de artilharia.

Hobbies

Nos últimos anos, alguns hobistas se interessaram por lasers. Os lasers usados ​​por amadores são geralmente da classe IIIa ou IIIb (veja Segurança ), embora alguns tenham feito seus próprios tipos de classe IV. No entanto, em comparação com outros amadores, os amadores de laser são muito menos comuns, devido ao custo e aos perigos potenciais envolvidos. Devido ao custo dos lasers, alguns amadores usam meios baratos para obter lasers, como a recuperação de diodos de laser de players de DVD quebrados (vermelho), players de Blu-ray (violeta) ou diodos de laser de maior potência de gravadores de CD ou DVD .

Os aficionados também estão pegando lasers pulsados ​​excedentes de aplicações militares aposentadas e modificando-os para holografia pulsada . Os lasers Ruby pulsado e YAG pulsado têm sido usados.

Exemplos por poder

Aplicação do laser em imagens de óptica adaptativa astronômica

Diferentes aplicações precisam de lasers com diferentes potências de saída. Lasers que produzem um feixe contínuo ou uma série de pulsos curtos podem ser comparados com base em sua potência média. Os lasers que produzem pulsos também podem ser caracterizados com base na potência de pico de cada pulso. A potência de pico de um laser pulsado é muitas ordens de magnitude maior que sua potência média. A potência média de saída é sempre menor que a potência consumida.

A potência contínua ou média necessária para alguns usos:
Poder Usar
1–5 mW Ponteiros laser
5 mW unidade de CD-ROM
5–10 mW Leitor de DVD ou unidade de DVD-ROM
100 mW Gravador de CD-RW de alta velocidade
250 mW Gravador de DVD-R 16× para consumidor
400 mW Gravação de camada dupla de DVD 24×
1 W Laser verde no desenvolvimento do protótipo do Disco Versátil Holográfico
1–20 W Saída da maioria dos lasers de estado sólido disponíveis comercialmente usados ​​para micro usinagem
30–100 W Lasers cirúrgicos de CO 2 selados típicos
100–3000 W Lasers de CO 2 selados típicos usados ​​no corte a laser industrial

Exemplos de sistemas pulsados ​​com alta potência de pico:

  • 700 TW (700 × 10 12 W) – National Ignition Facility , um sistema de laser de 1,8 megajoule de 192 feixes adjacente a uma câmara de alvo de 10 metros de diâmetro
  • 10 PW (10×10 15 W) – o laser mais potente do mundo em 2019, localizado nas instalações da ELI-NP em Măgurele , Romênia.

Segurança

Símbolo de aviso de laser europeu
Etiqueta de aviso de laser dos EUA
Esquerda: Símbolo de aviso de laser europeu necessário para lasers de Classe 2 e superior. Direita: etiqueta de aviso de laser dos EUA, neste caso para um laser Classe 3B

Até o primeiro laser foi reconhecido como potencialmente perigoso. Theodore Maiman caracterizou o primeiro laser como tendo um poder de um "Gillette", pois poderia queimar uma lâmina de barbear Gillette . Hoje, é aceito que mesmo lasers de baixa potência com apenas alguns miliwatts de potência de saída podem ser perigosos para a visão humana quando o feixe atinge o olho diretamente ou após reflexão de uma superfície brilhante. Em comprimentos de onda que a córnea e o cristalino podem focalizar bem, a coerência e a baixa divergência da luz do laser significa que ela pode ser focalizada pelo olho em um ponto extremamente pequeno na retina , resultando em queima localizada e danos permanentes em segundos ou até menos Tempo.

Os lasers geralmente são rotulados com um número de classe de segurança, que identifica o quão perigoso é o laser:

  • A classe 1 é inerentemente segura, geralmente porque a luz está contida em um gabinete, por exemplo, em CD players.
  • A classe 2 é segura durante o uso normal; o reflexo de piscar do olho evitará danos. Normalmente até 1 mW de potência, por exemplo, ponteiros laser.
  • Os lasers da classe 3R (anteriormente IIIa) geralmente são de até 5 mW e envolvem um pequeno risco de dano ocular dentro do tempo do reflexo de piscar. Olhar para esse feixe por vários segundos provavelmente causará danos a um ponto na retina.
  • Os lasers de classe 3B (5–499 mW) podem causar danos oculares imediatos após a exposição.
  • Os lasers de classe 4 (≥ 500 mW) podem queimar a pele e, em alguns casos, mesmo a luz difusa desses lasers pode causar danos aos olhos e/ou à pele. Muitos lasers industriais e científicos estão nesta classe.

As potências indicadas são para lasers de luz visível e onda contínua. Para lasers pulsados ​​e comprimentos de onda invisíveis, aplicam-se outros limites de potência. As pessoas que trabalham com lasers de classe 3B e classe 4 podem proteger seus olhos com óculos de segurança projetados para absorver a luz de um determinado comprimento de onda.

Os lasers infravermelhos com comprimentos de onda maiores que cerca de 1,4 micrômetros são frequentemente chamados de "seguros para os olhos", porque a córnea tende a absorver luz nesses comprimentos de onda, protegendo a retina de danos. No entanto, o rótulo "seguro para os olhos" pode ser enganoso, pois se aplica apenas a feixes de ondas contínuas de potência relativamente baixa; um laser de alta potência ou Q-switched nesses comprimentos de onda pode queimar a córnea, causando graves danos aos olhos, e até mesmo lasers de potência moderada podem ferir o olho.

Os lasers podem ser um perigo para a aviação civil e militar, devido ao potencial de distrair temporariamente ou cegar os pilotos. Consulte Lasers e segurança da aviação para saber mais sobre este tópico.

Câmeras baseadas em dispositivos de carga acoplada podem realmente ser mais sensíveis aos danos do laser do que os olhos biológicos.

Veja também

Referências

Leitura adicional

Livros

  • Bertolotti, Mario (1999, trad. 2004). A História do Laser . Instituto de Física. ISBN  0-7503-0911-3 .
  • Bromberg, Joan Lisa (1991). O Laser na América, 1950-1970 . Imprensa do MIT. ISBN  978-0-262-02318-4 .
  • Csele, Mark (2004). Fundamentos de Fontes de Luz e Lasers . Wiley. ISBN  0-471-47660-9 .
  • Koechner, Walter (1992). Engenharia de Laser de Estado Sólido . 3ª edição. Springer-Verlag. ISBN  0-387-53756-2 .
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  • Taylor, Nick (2000). LASER: O inventor, o Prêmio Nobel e a guerra de patentes de trinta anos . Nova York: Simon & Schuster. ISBN 978-0-684-83515-0.
  • Wilson, J. & Hawkes, JFB (1987). Lasers: Princípios e Aplicações . Prentice Hall International Series em Optoeletrônica, Prentice Hall . ISBN  0-13-523697-5 .
  • Yariv, Amnon (1989). Eletrônica Quântica . 3ª edição. Wiley. ISBN  0-471-60997-8 .

Periódicos

links externos