O princípio dos lasers é baseado na emissão estimulada, conceito proposto pela primeira vez por Einstein no início do século XX. O processo principal é o seguinte:
- Transição de elétrons: Átomos ou moléculas no meio de trabalho ganham energia sob a influência de uma fonte de bomba (como energia elétrica, energia luminosa, etc.), fazendo a transição de um nível de baixa energia para um nível de alta energia, entrando em um estado excitado. Como o nível de alta energia é instável, os átomos ou moléculas transitam espontaneamente de volta para o nível de baixa energia, liberando fótons no processo.
- Reflexão da Cavidade Ressonante: Esses fótons refletem para frente e para trás dentro da cavidade ressonante, interagindo com outros átomos ou moléculas em estado excitado no meio de trabalho, desencadeando uma emissão mais estimulada. Isso faz com que o número de fótons aumente abruptamente, resultando em luz laser de alta intensidade, altamente monocromática e extremamente direcional.
O laser consiste principalmente em três partes: o meio de trabalho, a fonte da bomba e a cavidade ressonante.
- Meio de Trabalho: Esta é a base da geração de laser. É composto por um meio ativo que permite a inversão populacional, como rubi, vidro de neodímio ou gás dióxido de carbono.
- Fonte da bomba: Fornece energia ao meio de trabalho, induzindo emissão estimulada. Os métodos comuns incluem excitação elétrica e excitação óptica.
- Cavidade ressonante: Composta por espelhos de reflexão interna total e espelhos de reflexão interna parcial, fornece feedback e um ambiente oscilante para os fótons, permitindo que eles viajem para frente e para trás várias vezes dentro da cavidade, potencializando o efeito de emissão estimulada e, por fim, formando a saída do laser.
A principal diferença entre os lasers monomodo e multimodo está no número de modos no feixe de saída.
- Laser monomodo: Suporta apenas um modo de propagação de luz. Possui alta qualidade de feixe, boa direcionalidade e coerência, um ponto de feixe circular padrão e um pequeno ângulo de divergência. É adequado para aplicações de alta precisão, como interferômetros a laser e comunicação por fibra óptica.
- Laser multimodo: suporta vários modos de propagação de luz. Possui um grande ângulo de divergência do feixe de saída, formato de feixe complexo e distribuição de intensidade e um comprimento de coerência mais curto, mas alta potência de saída. É adequado para aplicações menos exigentes, como processamento de materiais e iluminação a laser.
Os lasers são chamados de feixes gaussianos porque sua distribuição de intensidade em sua seção transversal está aproximadamente em conformidade com uma função gaussiana, o que significa que a intensidade é alta no centro e diminui gradualmente em direção às bordas, exibindo uma curva em forma de sino.
Esta característica de distribuição decorre da auto-reprodutibilidade do laser durante sua formação dentro da cavidade ressonante; mesmo após difração e propagação, sua distribuição de intensidade mantém a forma gaussiana. Os feixes gaussianos possuem excelente desempenho de foco e monocromaticidade, reduzindo efetivamente a competição de modos e melhorando a qualidade do feixe, tornando-os amplamente utilizados em projetos de sistemas ópticos, processamento de laser e outros campos.
Classificação do Laser Os lasers podem ser classificados de várias maneiras, uma das quais é pelo meio de trabalho:
- Lasers de estado sólido: utilizam materiais sólidos como meio de trabalho, como lasers de granada de alumínio dopado com neodímio (Nd:YAG). Esses lasers normalmente têm alta potência e boa estabilidade e são amplamente utilizados em processamento industrial, medicina e pesquisa científica.
- Lasers de gás: utilizam gases como meio de trabalho, como lasers de hélio-néon (He-Ne) e lasers de dióxido de carbono (CO2). Os lasers a gás têm amplas aplicações nas regiões espectrais do visível e infravermelho.
- Lasers líquidos: também conhecidos como lasers de corante, utilizam soluções de corantes orgânicos como meio de trabalho. Sua sintonização de comprimento de onda lhes confere vantagens únicas em pesquisa científica e biomedicina.
- Lasers semicondutores: utilizam materiais semicondutores como meio de trabalho, como diodos laser. Esses lasers oferecem vantagens em miniaturização e integração e são amplamente utilizados em comunicação óptica, impressão a laser e outros campos.
- Lasers de elétrons livres: utilizam feixes de elétrons livres de alta velocidade como meio de trabalho. Eles oferecem uma ampla gama de potências de saída e comprimentos de onda, tornando-os adequados para física de alta energia e espectroscopia de raios X.
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