Semicondutores: - Lasers

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Semicondutores: - Lasers

  1. 1. Lasers L IGTH A MPLIFICATION S TIMULATED E MISSION R ADIATION Não concordo com o acordo ortográfico 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 1
  2. 2. Lasers Laser - Características L IGTH A MPLIFICATION S TIMULATED E MISSION R ADIATION MONOCROMÁTICA: Significa que é constituída por uma única cor, não decomponível por meio de um prisma. COERENTE: Significa que além de ser monocromática, ao longo de todo o seu percurso e em todas as direcções, mantém a mesma fase e a mesma amplitude. INTENSA: A intensidade do feixe Laser está ligada a sua direcionalidade e luminância. Para se ter uma idéia prática, basta pensar que um feixe de luz Laser de 0,5 miliwatt (0,0005 Watt) produz uma luz mais intensa do que uma lâmpada normal de 100 Watts. COLIMADA: É a fonte luminosa mais colimada que existe; o desvio de um feixe de Laser ronda mediamente o milésimo de radiano. Significa que, depois de ter percorrido mil metros, o feixe fica com cerca de um metro de diâmetro somente.  O efeito físico por detrás de seu funcionamento é a emissão estimulada, descoberta pelo físico Albert Einstein, como condição necessária ao equilíbrio térmico da radiação com a matéria. Einstein descobriu, através de considerações teóricas, que não apenas um átomo absorve um fotão (a partícula de luz) incidente e o reemite ao acaso após certo tempo (emissão espontânea), mas que também este mesmo átomo pode reemitir um outro fotão devido á interação (excitação) do fotão incidente absorvido. O fotão reemitido tem a mesma frequência do fotão que o estimulou e, igualmente importante, tem a mesma fase. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 2
  3. 3. Lasers Laser- Características Monocromático A radiação que ocorre a um único comprimento de onda ou cor. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 3
  4. 4. Lasers Laser- Características Luz coerente/Incoerente A radiação produzida por uma lâmpada incandescente ou por um LED, é composta por fotões emitidos espontaneamente por átomos ou moléculas independentes. No processo de emissão espontânea, um sistema quântico passa de um nível energético para outro de menor energia, devido a flutuações aleatórias. Consequentemente, a fase do campo resultante varia aleatoriamente no tempo e no espaço, fazendo com que a radiação seja incoerente. Diodo de laser é um LED melhorado, no sentido em que utiliza emissão estimulada em semicondutores de transições ópticas entre a distribuição de estados de energia das bandas de valência e da banda de condução, com uma estrutura ressonante óptica tal, como ressonador Fabry-Perot com ambos os confinamentos ópticos e de transportadores de cargas. Num laser, a radiação é produzida por amplificação estimulada da luz. Ela resulta das emissões de átomos e moléculas estimuladas por um campo electromagnético. Neste processo, as fases dos campos dos fotões emitidos estão correlacionadas e, em consequência, a radiação é coerente. Além disso, a radiação também é altamente monocromática, isto é, o seu espectro de frequência é bastante estreito. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 4
  5. 5. Lasers Laser- Características Luz coerente/Incoerente Isso significa que todas as ondas vibram em fase, construtivamente reforçando cada onda adjacente. INTERFERÊNCIA ÓPTICA A. = Luz Coerente Interferência Construtiva = B. Luz Incoerente 31-01-2014 Interferência Destrutiva Por : Luís Timóteo 5
  6. 6. Lasers Laser- Características Luz colimada Isso significa que os raios estão viajando na mesma direcção em trajectórias paralelas.. Lente de colimação Fonte Fonte Área alvo A 31-01-2014 B Por : Luís Timóteo 6
  7. 7. Lasers Laser - Características Emissão de Fotões 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 7
  8. 8. Lasers Laser - Características Luz Monocromática 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 8
  9. 9. Lasers Laser - Características Luz Monocromática Luz Branca Encarnado Amarelo Verde Azul Violeta Luz Laser 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 9
  10. 10. Lasers Laser- Características Luz Colimada Luz coerente 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 10
  11. 11. Lasers Laser- Características Modos Contínuo (CW) Pulsado (PW) 31-01-2014 p t Por : Luís Timóteo Pulse energy Qp t Average power 11
  12. 12. Lasers Laser  histórico  A palavra laser significa Amplificação da Luz por Emissão Estimulada da radiação (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). A luz originada no sol ou de uma lâmpada, é emitida espontaneamente quando átomos ou moléculas libertam o excesso de energia sem nenhuma intervenção externa. A emissão estimulada é diferente, pois os átomos ou moléculas libertam o excesso de energia quando são estimulados.  No início dos anos 50, surgiu um sistema notável conhecido por maser, fruto dos esforços de numerosos cientistas, entre os quais se deve destacar Charles Townes, Alexander Prokhorov e Nikolai Basov, que vieram a dividir o prémio Nobel de Física em 1964 . O maser, que significa amplificação de microondas por emissão estimulada da radiação (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) é um amplificador de microondas caracterizado por um nível de ruído extremamente reduzido.  O maser, funciona de um modo pouco convencional e depende directamente das características da interacção quântica entre a matéria e a energia radiante. Em vez de átomos excitados, Townes usou moléculas de amónia como meio activo. Ao ser excitada por um agente externo a molécula de amónia entra em vibração com uma frequência de microondas. Daí, o processo de emissão estimulada gera um feixe coerente de microondas.  Logo que o maser foi demonstrado, começou imediatamente a busca por um maser óptico, isto é, um dispositivo que emitisse um feixe coerente com frequência na região da luz visível. Townes e Arthur Schawlow propuseram um arranjo com uma cavidade contendo o meio activo e dois espelhos. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 12
  13. 13. Lasers Laser  histórico Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation “Pelo seu trabalho fundamental, no campo da electrónica quântica, que levou á construção de osciladores e amplificadores, baseados no princípio maser-laser.” 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 13
  14. 14. Lasers Laser  histórico  Finalmente em 1960, Theodore Maiman anunciou o funcionamento do primeiro maser óptico, ou laser, cujo o meio activo era um cristal de rubi.  O laser é considerado uma das maiores invenções do século 20 sendo sinónimo de alta tecnologia. A tecnologia laser é uma ferramenta muito importante em diversas áreas, como por exemplo, na medicina onde é utilizado em cirurgias e em telecomunicações, servindo de fonte nas transmissões de sinais ópticos. Até há pouco tempo atrás, os lasers eram considerados objectos exóticos, usados apenas em laboratórios de pesquisa, projectos militares, grandes indústrias e filmes tipo Guerra nas Estrelas. Hoje, a grande maioria da população possui pelo menos um laser em casa: o que está na aparelhagem de tocar CDs (compact disk). Além disso, é possível encontrá-los na vida cotidiana, como por exemplo, em supermercados nos leitores ópticos de código de barras, e em impressora a laser, discos rígidos de PCs, rapto dos PCs, apontadores de aulas interactivas…  O primeiro laser – um laser de rubi, devido a Maiman, contém todos os elementos fundamentais que continuam a estar presentes nos lasers actuais, desde os mais simples, até aos mais complexos. O primeiro laser civil em Portugal, que esteve em exibição na exposição “À Luz de Einstein”, na Fundação Calouste Gulbenkian, é semelhante ao primeiro desenvolvido por Maiman e ilustra os componentes fundamentais de qualquer laser. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 14
  15. 15. Lasers Laser  Histórico: Legado de Einstien  O conceito de radiação a Laser foi primeiramente concebido no “The Quantum Theory of Radiation” de Einstein, publicado em 1917.  Em 1917 Einstein publicou um estudo sobre o equilíbrio dinâmico para um meio material imerso em radiação electromagnética, absorvendo-a e reemitindo-a.  Absorção e emissão: A probabilidade da emissão estimulada é idêntica à probabilidade da absorção estimulada. O argumento de Einstein Equilíbrio: Estimulada Espontânea Absorção Em equilíbrio térmico: No limite clássico (T infinita): 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 15
  16. 16. Lasers Laser  Histórico: Legado de Einstien O argumento de Einstein (Cont.) Resolvendo para u (): Ou: (Parecida com a de Planck) Planck: Então: Isto é, emissão estimulada é proporcional a emissão espontânea em equilíbrio. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 16
  17. 17. Lasers Laser  Histórico: Legado de Einstien Processos fundamentais, propriedades do fotão (partícula com energia e momento)! “Quando a luz incide num conjunto de átomos, a emissão estimulada e a absorção são igualmente prováveis” (Einstein, 1917) Normalmente, ocorre absorção, porque os átomos se encontram no estado fundamental. Se conseguirmos ter mais átomos excitados do que no nível fundamental (N1>N0), podemos ter amplificação em vez de absorção. A esta situação chamamos Inversão de população A inversão de população, é o número de átomos em estado excitado, versus o número de átomos no estado fundamental. Inversão de população  Em equilíbrio térmico: Distribuição de Boltzmann  não pode haver inversão.  (N2 > N1: mas é necessário sistema com pelo menos 3 Temos uma inversão de níveis). população! Com uma fonte de energia externa, os átomos são excitados para um nível E3, decaem rapidamente para E2, e mantêm-se por aí durante algum tempo… 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 17
  18. 18. Lasers Laser  Histórico: Legado de Einstien Transição Laser decay rápido decay rápido Excitação Moléculas acumulam-se neste nível. Excitação Excitação (bombeamento) Sistemas de dois, três, e quatro níveis Demorou algum tempo até se perceber que os sistemas a 4 níveis são, de facto, os melhores… Transição Laser Nível esvazia depressa Na melhor das hipóteses, ficamos com populações iguais  não há efeito laser. 31-01-2014 Laser, mas… os fotões são facilmente reabsorvidos. Por : Luís Timóteo Transição Laser decay rápido Aqui, é + fácil ter efeito laser! 18
  19. 19. Lasers Laser  Histórico: Legado de Einstien Processos fundamentais, propriedades do fotão (partícula com energia e momento)! Absorção: ….de 1 fotão com energia ΔE = hν = E2 – E1  átomo transita para um estado excitado. Antes Depois Emissão espontânea: Um átomo num estado excitado, tem uma probabilidade constante de transitar para um estado inferior, emitindo 1 fotão de ΔE. Emissão estimulada: Um átomo excitado + fotão incidente: aumento da probabilidade da emissão de Fotão emitido é idêntico ao incidente! Amplificação da luz! 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 19
  20. 20. Lasers Laser  Histórico: Legado de Einstien  Emissão laser só é possível quando ganho supera as perdas! Ganho ocorre pela inversão de população (ou seja, níveis de energias mais altos, mais ocupados que níveis mais baixos); requer confinamento de portadores e fotões; resultando na geração de emissão estimulada. E  O nível Bombeado é instável, pelo que o electrão, logo salta para um nível ligeiramente inferior.  O electrão relaxa para um nível inferior de energia, libertando um fotão.  …Produz dois fotões do mesmo comprimento de onda e com a mesma fase.  Os espelhos reflectem parcialmente os fotões … emissão estimulada…  Luz e um electrão em estado excitado… 31-01-2014 Por : Luís Timóteo Espelho Espelho  O electrão é Bombeado para um nível de energia superior. E 20
  21. 21. Lasers Laser  Sistema Laser Constituição De forma geral, o funcionamento de um laser depende de três componentes principais: o meio activo, a fonte de bombeamento.  e a cavidade óptica ressonante. Cada componente possui variantes distintas, com vantagens e desvantagens que os tornam propícios a determinadas aplicações e determinam as características finais do laser. Meio activo: O meio activo de um laser é o material em que ocorrem as transições energéticas com a emissão de fotões e a consequente amplificação da luz. Este meio pode ser gasoso, sólido ou líquido. Os lasers que utilizam meio de ganho sólido são denominados lasers de estado sólido. Os materiais para operação laser, devem possuir determinadas características propícias para sua aplicação, devendo-se levar em consideração, por exemplo, a largura das linhas de emissão e absorção, a eficiência quântica na transição de interesse, a resistência mecânica, entre outras. Os Lasers de estado sólido têm vantagens distintas sobre lasers que utilizam gases ou líquidos, uma vez que a robustez inerente ao meio sólido proporciona uma vida operacional maior. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 21
  22. 22. Lasers Laser  Sistema Laser Constituição (Cont,) Bombeamento: A fonte de energia é responsável pela excitação do meio activo a um estado energético apropriado, realizando o bombeamento com energia resultante entre os níveis excitados e o fundamental. Para obter a amplificação de luz a partir de um dado meio activo precisamos de estabelecer uma inversão de população entre um par de níveis e energia adequados promover a emissão estimulada à custa da emissão espontânea. O mecanismo de bombeamento pode ser óptico, eléctrico, químico ou térmico. Em lasers de estado sólido, o bombeamento óptico em geral é realizado por lâmpada ou por diodo lasers. Devido à procura por lasers compactos e de alto desempenho, tem-se tornado cada vez mais comum à utilização do diodo laser como fonte de bombeamento. Grande parte dos lasers desenvolvidos tradicionalmente utilizam a tecnologia de bombeamento por lâmpada; no entanto, os lasers de semicondutor têm-se expandindo rapidamente no mercado, e uma grande parcela dos lasers utilizados, está actualmente sendo substituída por lasers de estado sólido bombeados por diodo, tendo em vista as vantagens em termos de eficiência e tamanho, oferecidos pelo diodo laser. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 22
  23. 23. Lasers Laser  Sistema Laser Constituição (Cont,) Cavidade Ressonante: Os fotões resultantes da emissão estimulada, têm que estar confinados no sistema, de forma a serem utilizados para desencadear mais processos de emissão estimulada. Se não confinarmos os fotões, o sistema irradia segundo todas as direcções, e não é possível sustentar o processo de emissão estimulada. É necessário um mecanismo de realimentação óptica. O feixe resultante da emissão estimulada é forçado a atravessar ciclicamente o meio activo, maximizando o processo de emissão estimulada. Tal consegue-se colocando o meio activo dentro de uma cavidade ressonante óptica. A cavidade diz-se ressonante (ou seja permite manter um padrão de ondas estacionárias) quando a distância L for múltiplo inteiro de meio comprimento de onda. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 23
  24. 24. Lasers Laser  Sistema Laser Constituição (Cont,) 1. Meio activo (ganho), que pode amplificar a luz que passa através dele. 2. Fonte de energia da bomba para criar uma inversão de população em meio de ganho. 3. Dois espelhos que formam uma cavidade ressonante. Espelho de Alta Reflexão Meio Activo Espelho de Transmissão Parcial Mecanismo de Realimentação Mecanismo de Excitação O laser só pode funcionar se a energia do feixe aumentar a cada passagem pelo meio activo, Na maioria dos casos, o estado excitado tem uma vida muito breve, na ordem de 10 nanosegundos (1ns = 10-9s). E logo o átomo retorna ao estado fundamental. Entretanto, há átomos dotados de uma particular estrutura de níveis energéticos tal, que a excitação acarreta uma situação menos instável. Uma vez excitado, o átomo pode manter esse estado por lapsos de tempo muito superiores a 10 nanosegundos: milionésimos, milésimos, alguns segundos ou mesmo horas. Tais níveis são chamados metaestáveis. Para o efeito laser empregam-se, na prática, átomos dotados de níveis metaestáveis de energia. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 24
  25. 25. Lasers Laser  Sistema Laser Constituição (Cont,) 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 25
  26. 26. Lasers Laser O primeiro Laser : de Rubi Inventado em 1960 por Theodore Maiman nos Hughes Research Labs, foi o primeiro laser. O Rubi é um sistema a três níveis, portanto requer muita energia de bombeamento para a inversão. Fonte de Alimentação Interruptor Cristal de Rubi Cilindro Reflector de Alumínio polido 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 26
  27. 27. Lasers Laser O primeiro Laser de Rubi: (Cont.) A alimentação eléctrica de alta tensão faz com que o tubo de flash ligue e desligue. Cada vez que o tubo faz flash, energia é "bombeada" para o cristal de rubi. Os flashes injectam energia no cristal, sob a forma de fotões. 5-10 mm Feixe Laser  Átomos no cristal de rubi absorvem essa energia num processo chamado de absorção. Tubo flash com “Xénon”  Quando um átomo absorve um fotão de energia, um dos seus electrões salta de um nível baixo de energia para um mais elevado. Isso coloca o átomo num estado animado, mas instável… Fonte de Alimentação Fonte de Alimentação Interruptor Cristal de Rubi Cilindro Reflector de Alumínio polido 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 27
  28. 28. Lasers Laser O primeiro Laser: de Rubi: (Cont.) Fonte de Alimentação  Porque o átomo animado é instável, o Interruptor electrão pode permanecer no nível de Cristal de Rubi energia mais alto apenas por alguns Cilindro Reflector de Alumínio milésimos de segundo. polido  Ele cai de volta ao seu nível original, emitindo a energia que ele absorveu como um novo fotão de radiação luminosa. Este processo é chamado de emissão espontânea.  Os fotões que os átomos emitem, oscilam para cima e para baixo dentro do cristal de rubi, viajando á velocidade da luz.  De vez em quando, um desses fotões atinge um átomo já animado. Quando isso acontece, o átomo animado emite dois fotões de luz em vez de um. Isto é chamado de emissão estimulada. Agora, um fotão de luz produziu dois, pelo que a luz foi amplificada (aumentado em força). por outras palavras, "amplificação da luz" (um aumento na quantidade de luz) foi causada por "emissão estimulada de radiação" (daí o nome "laser", porque isso é exactamente como funciona um laser!)  Um espelho numa extremidade do tubo de laser mantém os fotões que saltam para trás e para a frente no interior do cristal. Um espelho parcial na outra extremidade do tubo reflecte alguns fotões de volta para o cristal, mas permite alguma fuga.  Os fotões que escapam, formam um feixe muito poderoso concentrado de luz laser. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 28
  29. 29. Lasers Laser O primeiro Laser: de Rubi: (Cont.) Níveis de energia Num breve resumo de como funciona o laser de rubi, uma intensa explosão de luz de uma lâmpada de flash excita os electrões do estado fundamental (4A2 em notação desenvolvida por espectroscopistas) para dois estados excitados (4T1 e 4T2). Os electrões então transitam para outro nível de energia (2E), e de lá eles voltam ao estado fundamental, emitindo luz em duas cores vermelho (cerca de 692,7 e 694,3 nm). 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 29
  30. 30. Lasers Laser Espectro Electromagnético 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 30
  31. 31. Lasers Laser Espectro Electromagnético O comprimento da luz Laser é normalmente nas zonas dos ultravioletas, visível, e infra vermelhos, do espectro Electromagnético. raios -x Raios - gamma Ultravioleta Visível Radiação Ionizante Infra-vermelho Radar Rádio Ondas Ondas Eléctricas 10-12 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100 102 104 106 108 Comprimento de onda  (cm) 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 31
  32. 32. Lasers Laser Espectro Electromagnético A radiação dos lasers Ultravioletas (UV), vai dos 200 nm aos 400 nm. Radiação Ionizante Raios-x Raios-gamma Ultraviolet violetas Infra-vermelho Ondas Rádio Radar 10 -12 10 -10 10 -8 10 -6 10 -4 10 -2 10 0 10 2 10 4 Ondas Eléctricas 10 6 10 8 Comprimento de onda (cm) Lasers Ultravioletas Comuns Fluoreto Árgon Cloreto Crípton Fluoreto Crípton Cloreto Xénon Hélio Cádmio Nitrogénio Fluoreto Xénon 193 nm 222 nm 248 nm 308 nm 325 nm 337 nm 351 nm 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 32
  33. 33. Lasers Laser Espectro Electromagnético A radiação dos lasers Infra-vermelhos (IR), vai dos 760 nm aos 10000 nm. Radiação Ionizante Raios-x Raios-gamma Ultraviolet violetas Infra-vermelho Ondas Rádio Radar 10 -12 10 -10 10 -8 10 -6 10 -4 10 -2 10 0 10 2 10 4 Ondas Eléctricas 10 6 10 8 Comprimento de onda (cm) Lasers Infra-vermelhos Comuns Near Infrared Far Infrared Titânio Safira Hélio Néon Nd: YAG Hélio Néon Érbio Fluoreto Hidrogénio Hélio Néon Dióxido Carbono Dióxido Carbono 800nm 840 nm 1,064 nm 1,150nm 1,504nm 2,700nm 3,390nm 9,600nm 10,600nm 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 33
  34. 34. Lasers Laser Espectro Electromagnético: Lasers Visíveis Violeta 510 nm 514 nm Crípton 528 nm 532 nm 543 nm 568 nm Vapor de Cobre 570 nm Rohodamine 6G dye (tunable) 570 nm Hélio Néon 594 nm Hélio Néon 610 nm Vapor de ouro 627 nm Hélio Néon 633 nm Crípton 647 nm Rohodamine 6G dye 650 nm Rubi (CrAlO3) 31-01-2014 488 nm Crípton Vermelho Árgon Hélio Néon Laranja 476 nm Frequência dupla Nd YAG Amarelo Crípton Argon Verde 441 nm Vapor de Cobre Azul Hélio Cádmio 694 nm O comprimento de onda da luz visível, vai dos 400-760 nm. Por : Luís Timóteo 34
  35. 35. Lasers Laser Espectro Electromagnético: Lasers disponíveis Também os lasers têm sido preparados para o vácuo UV (VUV, 100-200 nm) e XUV (eXtreme UltraViolet; também chamada de ultrasoft X-ray region; <100 nm). O comprimento de onda mais curto do laser produzido , até 2011 era de 3,5 nm. Projectos para estender esta faixa a 0,1 nm estão em andamento. Porque será que os lasers de raios-x são tão difíceis de construir?: Aji/Bij = 8  h 3 / c3 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 35
  36. 36. Lasers Laser Tipos de Lasers De Gás: são bombeados por descarga no gás. Podem ser de átomos, iões ou moléculas. O laser He-Ne gera no visível e no infravermelho. Laser de Árgon gera laser no visível e no UV. Lasers de CO2 emitem luz no infravermelho distante (10.6 μm), e são usados para cortar materiais duros. He-Ne, Ar, Kr, CO2, N2, He-Cd. Estado Sólido: o material para gerar o laser é distribuído numa matriz sólida (como o rubi ou neodímio: ítrio-alumínio garnet "YAG"). Lâmpadas de flash são as fontes de potência. O laser Nd:YAG emite luz no infravermelho em 1064 nm. Nd3+, Ho3+, Gd3+, Tm3+, Er3+, Pr3+ e Eu3+ em cristais de CaWO4, Y2O3, SrMoO4, LaF3, YAG e vidro Semicondutores: (1962) chamados também de lasers de diodo são junções p-n. A corrente é a fonte de bombeamento. Aplicações: impressoras, pointers, CD players…comunicações por fibra óptica … etc. GaAs/GaAlAs, GaInAsP/InP Corante (Dye): (1963 -solução corante + solvente) usa corantes orgânicos complexos, como rodamina 6G, numa solução líquida ou suspensão, como meio para gerar o laser. São sintonizáveis num intervalo grande de comprimentos de onda do IR ao UV. Químicos: (1964) (bombeado com energia de reacção química) Um laser químico é um laser, que obtém a sua energia a partir de uma reacção química. Lasers químicos podem chegar a saída de onda contínua com potência chegando a níveis megawatts. Eles são usados ​na indústria de corte e perfuração. (COIL), (AGIL). Excímeros: (dos termos excited e dimers): usa gases reactivos, como chlorine e fluorine, misturados com gases inertes como Ar, Kr, ou Xe. Quando estimulados electricamente, uma pseudo molécula (dímero) é produzida. Emitem no UV. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 36
  37. 37. Lasers Laser Tipos de Lasers Os lasers podem ser divididos em vários grupos, de acordo com diferentes critérios: Quanto ao estado do meio ativo: sólido, líquido, gás ou plasma. O meio activo determina muitas das propriedades do laser, de tal modo que o nome de cada laser derivado do nome do meio activo. O material utilizado como meio activo determina: O Comprimento de onda do laser. O método mais adequado de bombeamento. Ordem de grandeza da saída do laser. O rendimento do sistema laser.  Quanto ao método de excitação (bombeamento) do meio activo: bombeamento óptico, bombeamento elétrico, etc.  Quanto á faixa espectral do comprimento de onda do laser: infravermelho (IR), ultravioleta (UV)… Quanto às características da radiação emitida pelo laser. Quanto ao número de níveis de energia que participam no processo laser . 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 37
  38. 38. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers de estado sólido - Laser Nd: YAG Diagrama R Espelho (Alta Reflexão ) Fonte Tensão Lâmpada Flash (Fonte de Bombeio) HR 100% Espelho (Reflexão Parcial) Feixe Laser Cristal - ND:YAG (Meio Laser) Ressonador Óptico Utilizam cristais iónicos dopados ou bastões de vidro, que são bombardeados opticamente, através de uma ou mais lâmpadas tipo flash (de Xénon) ou com fontes contínuas de luz (lâmpadas de Crípton). Os elementos activos no de YAG/Nd é o Nd o elemento dopado. Quando os fotões da lâmpada excitadora atingem o material dopado, transferem a sua energia para o material e ocorre então a emissão de novos fotões… 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 38
  39. 39. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers de estado sólido - Laser Nd: YAG Lâmpada Flash Reflector Elíptico Feixe Laser Cristal Nd:YAG O cristal do laser de Nd-YAG é normalmente feito de forma cilíndrica. O cristal forma a cavidade do laser e tem reflectores nas extremidades – um revestido de modo que seja 100% reflector, e o outro é suficientemente reflector, ou é revestido para permitir que apenas parte da luz amplificado passe através dele – de modo a garantir retorno suficiente (feedback) para que a oscilação possa ocorrer. A inversão de população resulta do raio de luz, fornecido normalmente por lâmpadas de Flash de Crípton, que incide sobre o cristal. Se a luz for suficientemente intensa, os átomos do cristal excitam-se, produzindo o efeito laser. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 39
  40. 40. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers de estado sólido - Laser Nd: YAG Níveis de Energia Decaimento não radiativo E3 E2 E4 0,73μm 0,8μm Laser 1.064μm E1 Decaimento não radiativo Nd E0 E1, E2, E3 – Estados de energia de Nd. E4 – Estado metaestável. E0 – ground State Energy Level. O LASER - Nd (Neodymium) – YAG (Yttrium Aluminium Garnet). O ião Nd tem muitos níveis de energia e devido ao bombeamento óptico esses iões são levados para os níveis excitados. Durante a transição do estado metastável para E1, é emitido um feixe laser de comprimento de onda de 1.064μm. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 40
  41. 41. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers de estado sólido - Laser Nd: YAG Reflector 100% Ajustamentos Obturador Polarizer de Segurança Refrigeração Tubo do Feixe Botão de Ajustamento Espelho de saída Q- Switch Ponteiro Nd:YAG Lâmpadas Flash Cavidade de Bombeio Cavidade Laser Gerador de Harmónicas (opcional) Feixe Courtesy of Los Alamos National Laboratory 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 41
  42. 42. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers de estado sólido - Laser Nd: YAG Características Tornou-se muito popular em 1960`s. Pode operar em contínuo, pulsado, e Ambos. modo O meio laser é um cristal isotrópico incolor de Y2Al5O12 (ítrio-alumínio Garnet - YAG). Quando usado em lasers, cerca de 1% do Ítrio é substituído por Neodímio. : Laser de isolador dopado Meio Activo : Yttrium Aluminium Garnet Centro Activo : Neodymium Método de Bombeio É um laser de estado sólido com operação em quatro níveis de energia. Tipo : Óptico Fonte de Bpmbeiop : Flash de Xenon Ressonador Óptico : Extremidades revestidas de prata, formando dois espelhos que refletem parcialmente e totalmente a luz. Potência de saída : 20 kWatts Natureza da saída : Impulsos Comprimento de onda : 1064 nm. Os níveis de energia dos iões Nd3+ são responsáveis ​pela acção de laser. O ião de terra rara não afecta a estrutura do cristal devido ao tamanho idêntico. Itérbio, Érbio, Crómio, etc. Também são utilizados como agentes dopantes no YAG para a operação Laser. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 42
  43. 43. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers de estado sólido - Laser Nd: YAG Aplicações Medicina: Em oncologia, que é usado para remover o cancro da pele. Em oftalmologia para corrigir a opacificação capsular posterior, uma complicação da cirurgia ás cataratas. Medicina estética. Odontologia: É usado para cirurgias de tecidos moles da cavidade oral. Militares: YAG é o laser mais usado em telemetria laser militar e designadores de alvos. Outras Transmissão de sinais a grandes distâncias. Sistemas de comunicação a longa distância.  Aplicações endoscópicas. Sensoriamento Remoto. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 43
  44. 44. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers de estado sólido O laser Semicondutor Princípio: Um electrão na banda de condução (BC) combina-se com uma lacuna (buraco) na banda de valência (BV) e a recombinação produz energia radiante sob a forma de fotão. Este fotão, induz outro electrão na BC a combinar-se com um buraco na VB e, assim, estimular a emissão de outro fotão igual ao primeiro. Tipo Meio Activo : Junção P – N . Centro Activeo : Recombinação de electroes e lacunas. : Injecção de Corrente eléctrica : Polished junction of diode : 1 mW Natureza da saída : Continua ou pulsada Comprimento de onda     Laser Semiconductor Heterojunção dupla. Potência de saída Aplicações? : : 375 – 1500 nm Comunicações ópticas de alta densidade. Método de Bombeio Drives CDs. Medicina. Ressonador Óptico Impressoras Laser. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 44
  45. 45. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers de estado sólido O laser Semicondutor: - Recombinação Existem três tipos de transições que são importantes nos diodos laser, que ocorrem entre a banda de condução e a banda de valência do material: Absorção estimulada; Emissão espontânea; Emissão estimulada. BC BC h h BV Absorção estimulada BC h BV h h BV Emissão espontânea Emissão Estimulada Depois de definir R (abs), R (espon), R (estim) como a taxa de absorção, emissão espontânea e emissão estimulada, respectivamente, a relação entre os três processos podem ser descritos através da seguinte equação: R (abs) = R (espon) + R (estim) 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 45
  46. 46. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers de estado sólido O laser Semicondutor Edge emitting Laser diode Guia de ondas L Invólucro plástico Espelho frontal Terminais Fotodiodo PIN Chip Laser Dissipador Fotodiodo PIN Rebordo do Encapsulamento Chip Laser Terminais de ligação 31-01-2014 Por : Luís Timóteo Radiador de calor 46
  47. 47. Lasers Laser Al2O3 lattice Tipos de Lasers: Lasers de estado sólido Oxigénio Alumínio O laser Titânio-Safira O laser de titânio-safira foi demonstrada pela primeira vez em 1986 por Moulton. É um laser de estado sólido, sintonizável numa ampla faixa espectral (670 - 1100 nm). O meio de ganho é um cristal de safira (Al2O3) dopado com 0,1% Ti2O3. O laser Titânio-Safira é um laser de 4 níveis, com emissão entre os diferentes níveis de energia vibratória do ião Ti3+. O bombeamento é normalmente feito por iões de Ar ou Nd:YAG para coincidir com a banda de absorção a 480-540 nm. O sistema pode ser contínuo (CW) ou pulsado. Uma grande vantagem do sistema de Titânio-safira, é que em modo de bloqueio é possível produzir um trem de impulsos extremamente curtos, que permitem estudos ultra-rápidos (10-13 -10-14 s) de processos químicos. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 47
  48. 48. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers de estado sólido O laser Titânio-Safira: - Níveis de Energia No diagrama, o nível de 2T2 é o nível zero, enquanto que o nível 2E é o nível excitado. Os subníveis vibracionais de curto espaçamento, ampliam os níveis electrónicos de energia. O laser de Ti: safira é chamado um laser vibrónico, devido à estreita mistura das frequências electrónicas e vibracionais. 2E Decaimento não Radiativo Absorção Transições Laser (660 – 1100 nm) Ti3+ 2T 2 A banda de absorção de Ti3+ está na região espectral do azul verde, enquanto que o espectro de emissão é ligeiramente deslocado, como mostrado na figura dada aqui vermelho. A Energia necessária para o nível excitado 2E é conseguida através de bombeamento óptico. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 48
  49. 49. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers de estado sólido O laser Titânio-Safira: - Diagrama Etalon Diodo Feixe de saída Ti:Safira Filtro Bombeamento O periscópio (espelho P) e a lente de colimação L, são usados ​para injectar o feixe de bombeamento no ressonador em anel. O ressonador em si consiste de M1), M2(espelhos curvos) e espelhos planos M3 e M4.O meio de ganho (cristal de Ti:safira), situa-se entre os espelhos M1 e M2, no ponto focal dos respectivos espelhos. O cristal Ti:Safira é bombeado por um feixe luz laser emitido por Nd:YVO4. O sentido da circulação da luz é determinada por um diodo óptico. A frequência é escolhida por ajustamento de um filtro de birrefringentes e uma Etalon de Fabry-Perot. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 49
  50. 50. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers de estado sólido O laser Titânio-Safira: - Características e aplicações Para faixas espectrais com > 700 nm, o laser de titânio-safira é superior ao laser de corantes, porque tem maior potência de saída, melhor estabilidade de frequência e uma largura de linha menor. Tipo : Lasers de estado sólido Tem aplicações em processamento de materiais de precisão, irradiação de energia para satélites, geração de raios-X para litografia, e aplicações em medicina. Este laser pode ser utilizado para limpar edifícios e esculturas por remoção selectiva de revestimentos particulares, sem danos para qualquer outra coisa. Pode ainda ser utilizado para medir o vapor de água, pressão e temperatura. Meio Activo : Cristal Ti: safira . Centro Activo : Indução de energia. Método de Bombeio : iões de Ar ou luz de Nd:YAG Ressonador Óptico : Espelhos ópticos Potência de saída : 1 mW Natureza da saída : Continua ou pulsada Comprimento de onda : 670 - 1100 nm. As aplicações médicas envolvem enriquecimento de isótopos médicos estáveis ​(como carbono 13 e oxigénio 18), tratamento de diferentes áreas de pigmentos associados à dermatologia, e auxilio na correção de problemas renais, quando guiado por fibras ópticas (um procedimento médico conhecido como Litotripsia). 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 50
  51. 51. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers de estado sólido O laser Titânio-Safira: - Módulo 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 51
  52. 52. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers Líquidos - Laser de Corantes (Dyes) Um corante laser é uma substância química corante, que é capaz de produzir por excitação laser, logo, um laser de corante. É o único tipo de laser em que o meio activo é líquido. Geralmente é excitado por outros lasers ou lâmpadas tipo flash, podendo alguns trabalhar no modo contínuo (cw),mas a maioria trabalha no modo pulsado (impulsos). São Lasers líquidos homogéneos com compostos orgânicos (ou seja, corantes) que possuem uma banda de absorção forte, utilizada como um agente activo. Durante a emissão o corante tem que ser opticamente excitado por outra fonte de luz (ex. outro laser ou lâmpada de flash). A faixa de emissão do comprimento de onda pode ser em qualquer lugar do ultravioleta até próximo do infravermelho (i.é, de 180 a 1100 nm). Estes lasers operam em modo contínuo (CW) e em modos pulsados (impulsos). Alguns dos corantes usados são: rodamina 6G, fluoresceína, cumarina, estilbeno, umbeliferona, tetracena, verde malaquita. Nas versões caseiras, além dos corantes mencionados, eles também funcionam com corantes de alguns marcadores fluorescentes e até de alguns tipos de branqueadores ópticos usados na lavagem de roupas. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 52
  53. 53. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers Líquidos - Laser de Corantes (Dyes) Utiliza corantes fluorescentes para produzir feixes de laser de diversas cores. O corante flui através de um tubo de vidro com espelhos de laser posicionados em cada extremidade. Pode ser ajustado para produzir quase qualquer cor de luz, alterando o tipo e concentração do corante usado, e utilizando arranjos de espelhos especiais concebidos para permitir apenas que um comprimento de onda específico de luz, possa circular no interior do laser. Os Lasers de corantes encontram amplo uso na investigação científica e na medicina, onde diferentes tipos de tecido vivo respondem a diferentes comprimentos de onda da luz laser. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 53
  54. 54. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers Líquidos - Laser de Corantes (Dyes)  Química Moléculas orgânicas Poliatómicos com cadeias conjugadas π. -Rodamina, tetraceno, cumarina, estilbeno entre outros...  Solventes: -Metanol, etanol, água ou etilenoglicol.  Outros produtos químicos são adicionados para evitar cruzamento entre sistemas e evitar a degradação do corante… Cl- NH+ HO H N O O O HO O OH O N H O+ N H H H OH 31-01-2014 H H O Rhodamine 6G, 570-610 O H Acridine red, 600-630 nm OH Esculin, 450-470 Por : Luís Timóteo 54
  55. 55. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers Líquidos - Laser de Corantes (Dyes)  Funcionamento Moléculas Poliatómicas orgânicas que contêm ligações duplas conjugadas: Os electrões se movem livremente em toda a cadeia. Movimento que pode ser descrito como um electrão livre, num poço de dimensão potencial. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 55
  56. 56. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers Líquidos - Laser de Corantes (Dyes) Níveis de Energia Estados Singletos En = h2N2/8mL2 S2  Perdas: Estados Tripletos T2  Absorção 3 ___ S1 2 ___ Bombeamento 1 ___ 0 ___ 31-01-2014  Absorção Decay  Intersistemas • S1 → T1 Fosforescência • T1 → S0 Absorção • S1 → S2 • T1 → T2 T1 Transições Laser S0 Regra de selecção: S = 0 - S0 → S1 permitido. Níveis vibracionais e rotacionais insolúveis…  Emissão de fluorescência - S1 → S0. Por : Luís Timóteo 56
  57. 57. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers Líquidos - Laser de Corantes (Dyes) Níveis de Energia Singleto (S1) A sequência de passos que levam à fosforescência: Tripleto (T1) interacção intersistemas Um passo importante é a interacção intersistemas, a mudança de um estado singleto para um estado tripleto provocada pelo acoplamento de rotacional. Singleto (S0) Absorção O estado tripleto age como um reservatório irradiando lentamente porque o retorno ao estado fundamental rotacional é proibido. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo Fosforescência 57
  58. 58. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers Líquidos - Laser de Corantes (Dyes) Níveis de Energia O nível inferior do laser pode ser qualquer um da banda S0. S1: 1st excited electronic state manifold Bombeamento Transições Laser S0: Ground electronic state manifold  A solução é intensamente colorida devido à forte absorção do estado electrónico fundamental S0, para o primeiro estado simples excitado S1. A Fluorescência para o estado fundamental, também tem uma elevada eficiência quântica. Os lasers de corantes são tão próximos do ideal que é difícil “pará-los” de emitir luz laser em todas as direcções! 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 58
  59. 59. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers Líquidos - Laser de Corantes (Dyes) Estrutura simples Corante liquido Lente Reflexão total Feixe de Bambeio Feixe de Bambeio Lente cilíndrica Lente semitransparente 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 59
  60. 60. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers Líquidos - Laser de Corantes (Dyes) Estrutura com sintonia 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 60
  61. 61. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers Líquidos - Laser de Corantes (Dyes) Níveis de Energia Um dos lasers visíveis ajustáveis (0.3 µm a 1.2 µm) mais utilizados. Composição: Substâncias orgânicas dissolvidas em solventes (água, álcool etílico,- Metanol acetato de glicol, etc.). Exibem absorção forte e larga e espectros fluorescentes. Cada estado é composto por um grande número de Subníveis vibracionais e rotacionais com espaçamentos muito reduzidos. As Moléculas de corantes são excitadas por radiação. As moléculas são excitadas em vários subníveis de Estado S1. De lá, eles relaxam rapidamente para o nível mais baixo V2 de S1. Moléculas de V2 e emitem espontaneamente e relaxam para subníveis diferentes de S0. Emitem assim um espectro fluorescente. As Moléculas de S1 também podem fazer um relaxamento não radiativo para T1. Isto é chamado cruzamento intersistema. Os Lasers de corantes experimentais usam lâmpadas de flash, lasers pulsados ​ou lasers contínuos como fontes de bombeamento. Os Lasers de bombeamento incluem lasers de Nitrogénio, Árgon, Crípton, e YAG. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 61
  62. 62. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers Líquidos - Laser de Corantes (Dyes) Níveis de Potência Resumo da potência de saída de lasers de corante pulsados, conforme a origem de bombeio. As curtas vidas da fluorescência dos corantes, de alguns nanossegundos, significa que o armazenamento de energia é de curta duração e impede o Q-switching dos lasers. Gama de Variação (nm) Potência Média (W) Pico de Potência (W) Laser Nitrogénio 350-1000 0.1 – 1 10000 1 – 10 Lâmpada Flash 400-960 0.1 – 100 100000 102 -105 Iões Ar+ ou Kr+ 400-800 0.1 – 10 Max reported 40 CW Laser YAG 400-800 0.1 - 1 105 - 107 5 - 30 Excímero 370-985 0.1 - 10  107 10 - 200 CVL 530-890  10 104 - 105 30 - 50 Bombeamento 31-01-2014 Por : Luís Timóteo Duração de Impulsos (ns) 62
  63. 63. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers Líquidos - Laser de Corantes (Dyes) Os lasers de corantes cobrem a gama do visível, IV-próximo e UV-próximo. Lasers de Corantes (1963) (solução corante + solvente, do IR ao UV) 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 63
  64. 64. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers Líquidos - Laser de Corantes (Dyes) Diagrama esquemático de um gradeamento DFB. chip laser monolítico com corante optofluídico com Luz de Bombeamento Canal Microfluidico (Guia de ondas) PDMS chip Solução corante 31-01-2014 Saída Laser Por : Luís Timóteo 64
  65. 65. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers Líquidos - Laser de Corantes (Dyes)  Os lasers de corantes são sistemas de 4-níveis ideais, tendo acção laser numa gama alargada de cerca de ~100 nm. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 65
  66. 66. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers Líquidos - Laser de Corantes (Dyes) Características  Problemas – Vida curta do estado S1. – Cruzamento Intersistema e longa vida útil de T1. – Gradientes térmicos produzem gradientes de refracção.  Operação – Laser pulsado (impulsos) – Circulação da solução corrante. Aplicações – Bombeamento – lampada flash ou outro laser como: Académicas:  Nitrogénio laser (UV-visível). Sintonizável numa ampla gama de  Laser excímero (UV-visível). comprimentos de onda.  Nd:YAG laser (visível). Ambiental  Níveis de energia vibracional e rotacional não resolvidos Monitorização da poluição. – Emissão de largo espectro. – Sintonia.  Ampla selecção de corantes para os diferentes comprimentos de onda de emissão e níveis de absorção.  Possibilidade de impulsos muito curtos. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 66
  67. 67. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers de gases Pode fazer-se com que muito elementos produzam emissão laser quando se encontram no estado gasoso. Também tem sido mostrado que muitas moléculas (compostas de alguns átomos) podem produzir efeito laser. Num laser de gás, o meio activo é um gás a baixa pressão (de alguns milibares). As principais razões para a utilização de um gás a baixa pressão são: Activar uma descarga eléctrica, durante um longo período, no espaço entre os eléctrodos colocados nas extremidades de um tubo longo. Obter linhas espectrais estreitas, minimizando o alargamento devido a colisões entre átomos. (Só alguns tipos especiais de lasers a gás, utilizando alta pressão). O primeiro laser de gás foi construída por T. H. Maiman em 1961, um ano após a demonstração do primeiro laser (Rubi). O primeiro laser de gás foi o laser de Hélio-Néon, operando a um comprimento de onda de 1152,27 nm ( próximo IR). 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 67
  68. 68. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers de gases Excitação: Principalmente são utilizadas duas técnicas de excitação para lasers a gás:  Descarga Eléctrica  Bombeio Óptico A excitação de um laser a gás, através de descarga eléctrica: A aplicação de uma alta tensão entre os eléctrodos em ambas as extremidades do tubo que contém o gás, provoca uma descarga eléctrica através do gás. Os electrões são removidos do cátodo, acelerados em direção ao ânodo, colidindo com moléculas de gás ao longo do caminho. Durante a colisão, a energia cinética dos electrões é transferida para as moléculas de gás excitando-as.(O mesmo método de transferência de energia é utilizado nas lâmpadas fluorescentes convencionais). A excitação de um laser a gás, através de bombeio óptico: A excitação de um meio de laser por bombagem óptica requer que o espectro de absorção do meio, seja semelhante ao do espectro de emissão da fonte de bombeio, de modo que seja absorvida grande quantidade de radiação. As fontes de luz convencionais utilizadas para o bombeamento óptico, têm um amplo espectro de emissão, mas apenas uma pequena parte da luz é empregue no processo de excitação. Porque os átomos do gás absorvem apenas uma pequena parte do espectro, a bombeio óptico não é, em geral, um método eficiente de excitação de lasers de gás. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 68
  69. 69. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers de gases Excitação (cont.): O espectro de absorção dos sólidos é mais amplo do que os espectros de absorção dos gases, de modo que a eficiência de bombagem de lasers de estado sólido por fontes de luz convencionais é maior do que para os lasers a gás. Portanto os lasers a gás são geralmente excitados por uma descarga eléctrica. Se quisermos excitar um laser de gás com bombeamento óptico, precisamos encontrar uma fonte com uma largura de banda muito estreita, que deve coincidir com as linhas de absorção estreitas do gás. Uma boa fonte para o bombeamento óptico de um laser é um outro laser. Este método é usado para bombear os lasers de gás usando um laser de CO2 (Far-Infra-Red,- FIR). Classes de Lasers de gás Por conveniência, os lasers de gás dividem-se em três grupos:  Átomos - O meio activo do laser é composto de átomos de gás neutro, como o Hélio-Néon e Vapores de Cobre. Iões - O meio activo de laser é constituído por um gás ionizado, tais como gás de iões de Árgon ou gás de iões Hélio-Cádmio.  Moléculas - O meio activo do laser é composto de moléculas de gás, como o dióxido de carbono (CO2), nitrogênio (N2), lasers Excímero, lasers químicos (HF, DF), laser-Far InfraRed (FIR) . 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 69
  70. 70. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers de gases ATÓMICOS MOLECULARES IÓNICOS He-Ne (Hélio-Néon)  CO2 (Dióxido de Carbono) Ar+ (Ião Árgon) He-Cd (Hélio-Cádmio)  N2 (Nitrogénio) Kr+ (Ião Crípton)  Químicos (HF-DF)  FIR - infravermelho distante  Laser de Excímero Lasers de Vapor Metálico Cu (Cobre) Vapor  Au (Ouro) Vapor http://www.um.es/leq/laser/index.htm 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 70
  71. 71. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers de gases Um laser de gás é um laser, em que uma corrente eléctrica é descarregada através de um gás para produzir a luz coerente. O laser de gás foi o primeiro a laser a operar em modo contínuo de luz, e o primeiro laser para operar no princípio da conversão de energia eléctrica para uma saída de luz de laser. O primeiro laser de gás, o laser de hélio-neon (HeNe), foi co-inventado pelo físico iraniano Ali Javan e físico americano William R. Bennett, Jr. em 1960. Produziu um feixe de luz coerente na região do infravermelho do espectro a 1,15 micrómetros. Moléculas de Gás Electricidade (Flutuam dentro do tubo) (Faz o gás emitir luz) Espelho Espelho (com reflexão parcial) Feixe Laser (sai pela extremidade do tubo) Bobine Eléctrica Bobinada à volta do tubo. O laser produz luz através passagem de electricidade através de um gás. Isso faz com que o gás emita (produza) ondas de luz com um comprimento de onda preciso. As ondas de luz circulam para trás e para frente ao longo do tubo entre os dois espelhos. Isso incentiva o gás para dar mais luz, exactamente em sintonia com as ondas de luz originais. Também amplifica (torna mais claro) do feixe de luz. http://www.factmonster.com/dk/science/encyclopedia/lasers.html 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 71
  72. 72. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers de gases Estrutura Eléctrodos Espelho Espelho (com reflexão parcial) (com reflexão Total) Feixe Coerente Fotões Átomos de Gás Fonte de Alta Tensão 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 72
  73. 73. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers de gases Nestes lasers é o “meio laser” é constituído por e um ou uma mistura de gases e vapores. Os Lasers de gás podem ser classificados em termos do tipo de transições para o seu funcionamento: Atómicos, moleculares, ou de iões.  O mais comum de todos os lasers de gás é o laser de hélio-neon ( He-Ne) . A presença de duas espécies atómicas ( hélio e néon) neste laser de gás, pode sugerir que o meio seja feito de moléculas , mas estas duas espécies de átomos não formam uma molécula estável . Na verdade, todos os átomos de inertes como o hélio , árgon , crípton , etc. ( aqueles na última coluna da Tabela Periódica ) confinam firmemente as suas nuvens de electrões e raramente formam uma molécula ou reagem com outros átomos (daí o nome – inerte). No laser He-Ne a transição que produz a luz de saída é uma transição atómica. Os Lasers de gás que utilizam gás molecular ou vapor, para “meio laser” usam transições moleculares para o seu funcionamento. As transições moleculares tendem a ser mais complexas do que as atómicas. Como consequência, a luz laser produzida por lasers moleculares tende a ter uma colecção maior e mais diversificada de propriedades . Exemplos de alguns lasers de gás moleculares comuns são monóxido de carbono ( CO ) , dióxido de carbono ( CO2 ) , de excímero , e o de azoto (N2 ). http://www1.union.edu/newmanj/Physics100/LaserTypes/GasLasers.htm 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 73
  74. 74. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers a gás atómicos -O Laser Hélio-Neon (He-Ne) O laser de He-Ne foi o primeiro laser inventado com funcionamento em contínuo (CW). Poucos meses depois de Maiman ter anunciado a sua invenção do laser de rubi pulsado, Ali Javan e seus associados WR Bennet e DR Herriott anunciaram a criação de um laser He-Ne CW. Este laser de gás é um laser de quatro níveis que usa átomos de Hélio para excitar átomos de Néon. São as transições atómicas no Néon que produz a luz laser. A transição Néon mais utilizada nestes lasers produz luz vermelha a 632,8 nm. Mas esses lasers também podem produzir luz verde ou amarela no visível, bem como UV e IR (o primeiro laser He-Ne de Javan operava no IR a 1152,3 nm). Utilizando espelhos altamente reflectores concebidos para uma destas muitas transições possíveis, uma determinada saída do laser He-Ne é feita para funcionar com um único comprimento de onda. Tipicamente, estes lasers produzem algumas dezenas de mW (mili-watts, ou 10-3 W) de potência. Eles não são fontes de luz laser de alta potência. Provavelmente, uma das características mais importantes destes lasers é que eles são altamente estáveis​, tanto em termos do seu comprimento de onda (estabilidade modo) como na intensidade da sua luz de saída (baixo jitter em nível de potência). Por estas razões, os lasers He-Ne são frequentemente utilizados para estabilizar outros lasers. Eles também são utilizados em aplicações, tais como holografia, onde a estabilidade de modo é importante. Até meados da década de 1990, os lasers He-Ne foram o tipo dominante de lasers mais produzido para aplicações de baixa potência de telemetria, transmissão digital óptica, a ponteiros laser… Recentemente, no entanto, outros tipos de lasers, principalmente os lasers semicondutores , parecem ter vencido a competição por causa da redução de custos. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 74
  75. 75. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers a gás atómicos -O Laser Hélio-Neon (He-Ne) Monitor de saída Espelho HR Reflexões da Janela de Brewster Janela Brewster (Polar) Espelho CO Ajuste de Espelhos Consiste de um tubo de descarga de 80 cm de comprimento e 1,5 centímetros de diâmetro. Um mistura de Hélio e Néon, numa razão de 5:1, contidos a baixa pressão num invólucro de vidro. A fonte de energia de bombeamento, é fornecida por uma descarga eléctrica de alta tensão transmitida através do gás entre os eléctrodos (ânodo e cátodo), dentro do tubo. Uma corrente DC, de 3 a 20 mA é normalmente necessária para a operação em CW. A cavidade óptica do laser, geralmente consiste de dois espelhos côncavos ou um plano e um espelho côncavo, tendo uma elevada reflectância (tipicamente 99,9%) e do espelho de saída de acoplamento que permite a transmissão de aproximadamente 1%. Janelas Brewster, (geralmente sem revestimento) são janelas projectadas para uso no ângulo de Brewster. Este é o ângulo em que somente luz polarizada-p incidente tem 0% de perda de transmissão. São usadas ​em cavidades laser, para rejeitar o feixe de polarização-s e para permitir que somente luz linearmente polarizada–p, seja emitida. São projectadas para uso no ângulo de Brewster, onde o efeito reflexivo polarização é mais eficiente. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 75
  76. 76. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers a gás atómicos -O Laser Hélio-Neon (He-Ne) Níveis de Energia Energia  Através da aplicação de uma alta tensão, é induzida uma descarga eléctrica ao longo do tubo. Os electrões colidem com os átomos e colocam-nos num estado excitado. A luz é emitida pelos átomos de néon, e o Hélio é para auxiliar o processo de inversão de população. Para ver como isso funciona, precisamos consultar o diagrama de níveis abaixo. O Hélio tem dois electrões. No estado fundamental os electrões estão no nível 1s. O primeiro estado excitado é a configuração 2s. Há duas possíveis energias para esse estado, porque há duas configurações possíveis do spin do electrão: os termos singleto (21S) S = 0 e o S=0 tripleto (23S) S =1. 21s0 5s 4p Como mostrado no diagrama de níveis S=1 de energia, as colisões excitam os 23s1 4s átomos de Hélio a partir do estado 3p fundamental para estados excitados de Excitação por energia mais altos, entre eles os colisões estados metaestáveis ​de longa 3s de electrões 3S e 21S . duração 2 1 0 Ambos os estados são metaestáveis ​e não permitem de-excitações via transições S=0 Ground 1s22s22p6 State 1S2 Hélio Néon radiativas.. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 76
  77. 77. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers a gás atómicos -O Laser Hélio-Neon (He-Ne) Níveis de Energia (cont.) Em vez disso, os átomos de Hélio transferem a sua energia para os átomos de Néon através da excitação de colisão. Desta forma, os níveis 4s e de 5s do Néon são preenchidos. Estes são os dois níveis laser superiores, cada um para um conjunto separado de transições de laser. O decaimento radiativo dos níveis 5s para os 4s, são proibidos. Assim, os níveis de 4p e 3p servem de níveis laser inferiores e decaem rapidamente para o nível meta-estável 3s. S=0 1 2 s0 23s1 Energia Deste modo inversão de população é facilmente conseguida no laser de He-Ne. A transição laser 632.8 nm, por exemplo, envolve os níveis 5s e 3p, mas há várias possibilidades. 5s Colisões HE-Ne S=1 Excitação por colisões de electrões 3391nm 543 nm 4s 1523 nm 1118 nm 1152nm 3s (radiativa significa que absorve ou emite radiação electromagnética) 1S2 31-01-2014 S=0 Hélio Por : Luís Timóteo Ground State 4p 632.8nm Néon 3p Transições radiativas rápidas Difusão para as paredes 1s22s22p6 77
  78. 78. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers a gás atómicos -O Laser Hélio-Neon (He-Ne) Níveis de Energia (cont.) Não seria fácil de obter esta inversão de população sem o Hélio porque as colisões entre o átomos de Néon e os electrões no tubo, tenderia a excitar todos os níveis dos átomos de Néon de forma igual. É por isso que há mais Hélio do que Néon no tubo… A principal transição laser a 632,8 nm ocorre entre o nível 5s e o nível 3p. O tempo de vida do nível 5s é de 170 ns, enquanto que a do nível 3p é de 10 ns. Esta transição, portanto, facilmente satisfaz o critério, superior >  inferior. Isto assegura que os átomos não se acumulam no nível mais baixo, uma vez que tendo emitido fotões laser, iriam destruir a inversão de população. Os átomos no nível 3p relaxam rapidamente para o estado fundamental por transições radiativas ao nível 3s e, em seguida, por colisão/difusão de-excitação para o nível original 2p. O ganho em um tubo de He-Ne, tende a ser bastante baixo devido à relativa baixa densidade dos átomos do gás (em relação ao sólido). Isto é em parte compensado pelo tempo de vida relativamente curto da excitação de 170 ns . O ganho de ciclo completo pode ser apenas de uma pequena percentagem, pelo que são necessários espelhos altamente reflectores. Com ganho relativamente pequeno, as potências de saída não são muito elevadas - apenas alguns mW. No entanto, a facilidade de produção faz com que estes lasers extremamente comuns para aplicações de baixa potência: os leitores de código de barras, ferramentas de alinhamento a laser, demos de sala de aula, etc. Eles estão sendo gradualmente substituídos hoje em dia por diodos laser semicondutores, também muito usados como apontadores laser. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 78
  79. 79. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers a gás atómicos -O Laser Hélio-Neon (He-Ne) http://en.wikipedia.org/wiki/Helium%E2%80%93neon_laser http://www.i-fiberoptics.com/lasers.php?cat=helium-neon-lasers&sum=1630 http://www.mi-lasers.com/hene-lasers-c-17 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 79
  80. 80. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers a gás atómicos -O Laser Hélio-Neon (He-Ne) Aplicações O feixe vermelho de laser He-Ne é usado em leitores de códigos de barras em supermercados. Medidores de distâncias. Tem muitos usos industriais e científicos. Eles são amplamente utilizados em demonstrações laboratoriais da óptica, devido ao seu custo relativamente baixo e facilidade de operação em comparação com outros lasers visíveis (Contudo, desde cerca de 1990 os lasers semicondutores têm oferecido uma alternativa de baixo custo para muitas dessas aplicações). Armas "inteligentes“ guiadas….. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 80
  81. 81. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers a gás atómicos -O Laser Hélio-Cádmio (He-Cd) Os lasers de hélio-cádmio podem ser categorizados entre qualquer uma das seguintes categorias:  Lasers de vapor de metal – o cádmio é um metal, e a acção laser, no laser de Hélio cádmio ocorre entre os níveis de energia dos iões de cádmio, de modo que o meio laser é formado por um vapor de iões metálicos.  Lasers de gás ionizado - As propriedades do laser de hélio-cádmio são semelhantes aos do laser de Hélio-Néon, um laser de gás de átomos neutros. O laser de He-Cd é um laser de gás, porque o Cádmio metálico pode ser convertido para a fase gasosa mediante calor. A excitação laser, para nível superior dos átomos de cádmio no gás, é semelhante ao processo de excitação do laser a gás Hélio-Néon:  Os átomos de Hélio são excitados por colisões com electrões acelerados, que transferem a sua energia para os átomos de Cádmio mediante colisões.  As transições no laser Hélio-cádmio são produzidas entre os níveis de energia dos átomos ionizados de Cádmio, sendo possível cerca de doze linhas.  Estes comprimentos de onda estão na região de ondas curtas, violeta e ultravioleta (UV). Portanto, as principais aplicações do laser de He-Cd são em laboratórios ópticos, para o fabrico de grades holográficas. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 81
  82. 82. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers a gás atómicos -O Laser Hélio-Cádmio (He-Cd) Funcionamento O Cádmio metal, é aquecido a uma temperatura de 2500C, para gerar a pressão de vapor adequada. Á pressão de vapor de cádmio de alguns militorrs, é adicionado a do gás Hélio, a uma pressão de 3 - 7 militorrs. Como o Hélio é um gás nobre, a sua energia de excitação é muito alta (24,46 [eV]) comparada com a do Cádmio, que é um metal com baixa energia de excitação (8,96 [eV]). Portanto, no laser de He-Cd, o Hélio permanece electricamente neutro, e preenche a cavidade do tubo, enquanto que os iões positivos do Cádmio, através dum processo chamado cataforese, movem-se para o cátodo negativo por efeito de campo eléctrico, onde deixam de se poderem condensar e contaminar os componentes do tubo e as superfícies ópticas. No projecto do tubo do laser de Hélio-Cádmio a maior parte do esforço é gasto em minimizar a quantidade de iões de Cádmio no cátodo. Os melhores de lasers de He-Cd perdem cerca de 1 [g] de metal cádmio a cada 1.000 horas de operação do laser. O problema prático nos lasers de hélio-cádmio, é para manter a distribuição do vapor de metal homogênea no interior do tubo de descarga . Uma vez que os vapores saiam para fora do furo da conduta central (bore), vão depositar–se sobre as superfícies frias. É importante que o vapor permaneça nas áreas apropriadas. A fim de prevenir o revestimento das janelas com cádmio, armadilhas frias são colocados antes das janelas laser. Os átomos de cádmio condensam-se numa bolsa perto da região do cátodo. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 82
  83. 83. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers a gás atómicos -O Laser Hélio-Cádmio (He-Cd) A energia dos átomos excitados de hélio, ioniza os átomo de Cádmio: He* +Cd → He + Cd+ + e- Ionização Penning Energia É o principal mecanismo da acção lasers, nos lasers de Hélio- Cádmio, que identifica as transições no processo em que átomos de Hélio, altamente excitados, transferem a sua energia para o cádmio de uma forma semelhante à operação do laser de He-Ne. No entanto, neste caso são produzidos iões de Cádmio no processo, em vez de átomos neutros, como no caso de Néon, devido ao muito menor potencial de ionização do Cádmio em relação ao Néon . A energia de excitação para o laser de hélio - cádmio é fornecida por uma descarga de corrente contínua que passa através do tubo de laser . S=0 21s0 2d Descargas típicas são cerca de 700 - 2000 Colisões 441nm 353.6nm Transições 325nm volts , com densidades de corrente no furo He-Cd S=1 Laser central (Bore) de pequeno diâmetro (2mm), 23s1 2p da ordem de 3 a 5 amperes por centímetro UV Cd+ (ião)Ground quadrado de secção transversal. state distante Excitação por Os átomos de Hélio absorvem a energia da 2s colisões descarga, e depois transferem-na para os de electrões iões de Cádmio. Os níveis de energia de cádmio e hélio envolvidos no processo e as S=0 principais linhas, são mostrados na figura ao Ground State 1s 1S Hélio Cádmio lado. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 83
  84. 84. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers a gás atómicos -O Laser Hélio-Cádmio (He-Cd) Bomba de Hélio e Balastro Ponteiro ressonante Janela de Brewster Cold Trap Ânodo Janela de saída Espelho Reflector Bore Janela de Brewster Reservatório de Cádmio Cátodo Thermianic Características dos lasers de He-Cd : Comprimentos de onda de saída : luz azul 441,6 [nm], e luz Ultravioleta (UV) 325 [nm]. Potência máxima de saída : 150 [mW] na linha azul, e 50 [mW] em UV. Rendimento máximo total : na linha azul 0.02 %, e em UV 0.01 %. Largura espectral : 0.003 [nm] (em torno de 5 [GHz]), e longitude de coerência : cerca de 10 [cm]. Distância entre dos modos longitudinais : cerca de 200 [MHz]. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 84
  85. 85. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers a gás atómicos -O Laser Hélio-Cádmio (He-Cd) Aplicações Litografia. Estéreo-litografia, em que o laser ultravioleta é usado para fazer modelos em material plástico, gerados por computador. O comprimento de onda azul é usado para impressão em materiais fotossensíveis. Citometria de fluxo. Fabrico de CDs masters. Inspeção de Microchips. Análise de Fluorescência. Fabricação de Grades de difracção. Espectroscopia. Ensaios não destrutivos. Diagnósticos Laser de tumores de cancro. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 85
  86. 86. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers a gás atómicos -O Laser de Vapores de Cobre (CVL) Como o próprio nome indica, o laser de vapores de cobre utiliza átomos de cobre vaporizados como meio laser. O primeiro laser de vapor cobre foi o demonstrada em 1966 por WTWalter, N.Solimene, M.Piltch, e Gordon na TRG Gould Inc. O tubo de cerâmica refractária de 100-150 cm de comprimento, contendo esferas de cobre e um de gás neutro de baixa pressão, geralmente Néon. Uma descarga eléctrica pulsada entre os eléctrodos em cada extremidade do tubo, aumenta a temperatura para cerca de 14500 C (2642 F), produzindo vapor de cobre, a uma baixa pressão. O tubo do laser de vapor de cobre é geralmente selado com janelas de vidro plano, sendo o espelho da parte de trás, de reflexão total , com 90% de transmissão escolhida para a janela de saída, que não precisa de ser especialmente revestido. Os feixes dos lasers de vapor de cobre, podem ser de cerca de 10-50 mm de diâmetro, a divergência do feixe para um (a janela de saída) ressonador tipo estável é de 3-5 mradianos. Na parte visível do espectro, a focagem do feixe é realizada utilizando óptica de vidro. Os electrões excitados pela descarga eléctrica, colidem com os átomos de cobre vaporizados, e excitam-nos numa única etapa para os níveis superiores 2P3/2 e 2P1/2. Os electrões do nível 2P3/2 decaem para o nível laser menor 2D5/2, produzindo luz laser verde num comprimento de onda de 510 nm. As transições de 2P1/2 para o nível 2D3/2, produzindo luz laser amarela no comprimento de onda de 578 nm. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 86
  87. 87. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers a gás atómicos -O Laser de Vapores de Cobre (CVL) Estrutura 3/2 2p 1/2 Tiratrão 510 nm Níveis Laser Metaestáveis inferiores 578 nm Energia 3/2 Cilindro em Vácuo 2d Excitação por colisões de electrões Transições não radiativas rápidas Eléctrodo (+) Isolador Esferas de Cobre Tubo cerâmica refractária Espelho HR Eléctrodo (-) Janela 5/2 Ground State 2s Cobre O laser de vapor de cobre (CVL), em modo pulsado, fornece altas potências médias de até 100 W, em comprimentos de onda verde (510 nm) e amarelo (578 nm), a taxas de repetição muito altas até 40 kHz e durações de impulsos de 10-50 nsecs. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 87
  88. 88. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers a gás atómicos -O Laser de Vapores de Cobre (CVL) Transições electrónicas para o laser de vapor de cobre. Os Electrões excitados pela descarga eléctrica colidem com os átomos de cobre vaporizados e excitaos numa única etapa para os níveis laser superiores 2p3/2 e 2p1/2, conforme ilustrado na figura. Os electrões no nível 2p3/2 decai para o nível laser menor 2d5/2 produzindo luz laser verde num comprimento de onda de 510 nm. Energia 3/2 O tubo de cerâmica refractária contém esferas de 2p cobre e um gás neutro de baixa pressão, geralmente 1/2 Néon. Uma descarga eléctrica pulsada entre os 510 nm eléctrodos em cada extremidade do tubo, aumenta a temperatura para cerca de 14500 C (2642 F), produzindo vapores de cobre, a uma pressão 2d Excitação por parcialmente baixa. colisões Níveis Laser Metaestáveis inferiores 578 nm 3/2 5/2 de electrões Transições não radiativas rápidas Ground State 2s Cobre As transições do nível 2p1/2, decai para o nível 2d3 /2, produzindo luz laser amarelo no comprimento de onda de 578 nm. Ambos os estados são metaestáveis ​e não permitem de-excitações via transições radiativas.. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 88
  89. 89. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers a gás atómicos -O Laser de Vapores de Cobre (CVL) Propriedades do laser de vapor de cobre. Pressão do vapor de Cobre: cerca de 1 [Torr]. Temperatura óptima de operação: 16500C ± 500 C. É muito sensível á pureza do gás activo. O laser opera simultaneamente em duas linhas espectrais (verde e amarelo) sem concorrência entre elas (níveis diferentes). A energia por impulso da linha verde (510,6 [nm]) depende da frequência do impulso eléctrico aplicado (facto experimental). A energia por impulso da linha amarela (578,2 [nm]) é quase independente da frequência do impulso eléctrico aplicado (facto experimental). Os lasers de vapor de cobre tem um ganho muito alto, e pode funcionar mesmo sem uma cavidade óptica. Na prática, um dos espelhos reflecte a100%, o outro a cerca de 10% (pode ser utilizada reflexão de Fresnel sem revestimento). A elevada temperatura necessária para o processo a laser, é conseguida através do aquecimento causado pela descarga eléctrica no gás. É possível conseguir lasers a baixas temperaturas (4000C), utilizando sais de cobre, tais como CuCl, mas existem ainda problemas com esses lasers, sendo ainda experimentais. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 89
  90. 90. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers a gás atómicos -O Laser de Vapores de Cobre (CVL) Aplicações. 1. Fonte de bombeamento de Lasers de corantes de impulso curto. 2. Iluminação de objectos em fotografia de alta velocidade. A saída de um laser de vapor de cobre é, na forma de radiação laser visível quando em impulsos muito curtos, com uma frequência de impulsos muito alta. Portanto, esta radiação pode ser utilizada como uma fonte de luz de flash, em fotografia de alta velocidade. Um exemplo são as fotografias de balas em velocidades de 300-15,000 [m / s]. 3. Em atividade forense: Identificação de impressões digitais, e vestígios de elementos especiais na cena de um crime. A radiação laser é utilizada para iluminar a amostra e analisar a fluorescência em comprimentos de onda elevados. Devido à alta potência de pico do laser, pode identificar vestígios residuais que não puderam ser identificados usando luz de espectro estreito convencional.  4. Terapia Fotodinâmica (Dynamic Photo Therapy- PDT): destruição selectiva de células cancerosas por radiação laser, com comprimento de onda específico, após a injecção de uma droga especial para o paciente. 5. O enriquecimento de urânio (U235). Por fotoionização selectiva de U235 em vapor naturais de urânio. A quantidade de U235 em minério de urânio natural é muito pequena e é muito difícil de isolar. Usando lasers de vapor de cobre, é possível ionizar selectivamente apenas o U235, e recolher o material ionizado em placas electricamente carregadas. • A principal pesquisa de destilação de urânio foi desenvolvida no Laboratório Lawrence, Livermore, nos EUA.  É possível ajustar o laser de corante, por ionização de Plutónio (Pu239), que é usado em armas nucleares. A potência média máxima fornecida por estes laser de vapor de cobre é de 6000 [W], em comparação com os 100 [W] máximos dos lasers disponíveis no mercado. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 90
  91. 91. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers a gás atómicos -O Laser de Vapores de Ouro (GVL) Características Usa dois espelhos planos. Tubo de alumínio D = 55 milímetros . Entrada de alimentação de 15,7 kW (9.5kV, 1,65 A). Potência de saída de 20W. Linha espectral 627.8nm. Impulsos 50ns, freq. repetição 5.5kHz. Temperatura 1730 ° C. Período de pré-aquecimento 12 horas. O Ouro (Au) tem linhas espectrais mais pequenas em comparação com Cobre(Cu). Podem-se combinar metais e ter várias linhas espectrais. O Ouro é um metal precioso (caro). Tempo de aquecimento maior que o do Cobre.  Diferença entre os níveis de energia mais elevados do que o Cu (bombeamento). Maior divergência do feixe na saída -> ressonador instável. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 91
  92. 92. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers a gás atómicos -O Laser de Vapores de Ouro (GVL) Baseado na excitação, por descarga eléctrica de átomos neutros, libertados por de vapores de metal. A excitação 2P é a mais eficaz devido à elevada secção do orbital 4s em relação ao 3d. O decaimento espontâneo de 2P-2D é lento. O laser de vapores de ouro é muito semelhante ao laser de vapores de cobre na estrutura e os princípios de funcionamento. Às vezes, é usado o mesmo sistema para ambos os lasers (tubo do laser e alimentação). A única mudança é substituir o cobre sólido por ouro puro. 1/2 UV 312 nm Níveis Laser Metaestáveis inferiores 628 nm 3/2 2d Energia O comprimento de onda do laser do ouro é vermelho 628 [nm]. 3/2 2p0 Excitação por colisões de electrões 5/2 Transições radiativas rápidas Ground State 1/2 2s Ouro As principais aplicações do laser de vapores de ouro estão no tratamento experimental de cancro de pele, por terapia fotodinâmica (PDT). 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 92
  93. 93. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers a gás iónicos – Laser de iões de Árgon Ar+ O Laser de iões de Árgon contém um tubo preenchido com gás Árgon que se transforma em plasma em estado excitado, (Plasma é um estado da matéria em que os electrões são separados dos átomos e das moléculas, o que significa que ele contém electrões livres e iões). O laser de Árgon foi inventado em 1964 por William Bridges nos laboratórios Hughes. O laser de Árgon tem dois comprimentos de onda dominantes: 514nm que emite luz verde e 488nm que emite luz azul e UV. Neste laser, como no laser de He-Ne, o tipo de transição laser é atómica. Mas em vez de um átomo neutro, aqui a emissão laser é o resultado das de-excitações do ​ião. É preciso mais energia para ionizar um átomo do que para excitá-lo. Do mesmo modo, mais energia pode ser obtida a partir da remoção da excitação do ião. Então, átomos de Árgon duplamente (Ar++) e isoladamente ionizados (Ar+), podem irradiar luz de comprimento de onda mais curto do que poderia o átomo neutro Árgon. Devido a isso, os lasers de iões de Árgon, podem produzir luz UV com um comprimento de onda mais curto, como 334 nm. Além disso, estes lasers podem produzir muito mais energia do que os lasers He-Ne. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 93
  94. 94. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers a gás iónicos – Laser de iões de Árgon Ar+ Geralmente a sua potência de saída varia de um a tanto como 20 W. Nos níveis de energia mais elevados a sua saída é multimodo, ou seja, contém vários comprimentos de onda distintos. Alguns destes comprimentos de onda são: 334 nm, UV 351 nm, UV Devido a estas duas razões, de alta potência e de saída multicolor, O 364 nm, UV 458 nm, violeta laser de iões de Árgon é um dos lasers mais utilizados em espetáculos 477 nm , violeta de luz laser, bem como numa variedade de aplicações. 488 nm, (Forte) Azul 497 nm, Azul-verde 514 nm, (o mais forte) Verde. O laser de iões de Árgon, é muito semelhante a um laser He-Ne, mas com algumas diferenças ligeiras. Em primeiro lugar, estes lasers são muito maiores em tamanho. O tubo laser típico é de cerca de um metro de comprimento, em comparação com apenas 20 cm de um laser de He-Ne. Em segundo lugar, a cavidade óptica destes lasers é construída externamente ao tubo. Isto é em parte devido à operação de alta potência de laser e, em parte, porque tal arranjo externo permite a utilização da óptica de selecção de comprimento de onda opcional dentro da cavidade óptica. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 94
  95. 95. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers a gás iónicos – Laser de iões de Árgon Ar+ Um prisma ou uma grade de difracção (Bragg), localizado imediatamente antes do espelho HR, selecciona apenas uma das transições laser para a amplificação no interior da cavidade; outros comprimentos de onda são desviados para fora da cavidade ressonante. Desta forma estes lasers podem operar no chamado modo único (single mode). Diagrama Básico Bore tube Ânodo Espelho HR Espelho de saída Prisma Aletas de arrefecimento 31-01-2014 Cátodo Solenoide Fonte de Alimentação Por : Luís Timóteo Plasma alta Temperatura Janela de Brewster 95
  96. 96. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers a gás iónicos – Laser de iões de Árgon Ar+  O laser de árgon, consistem em dois espelhos, cada um localizado em cada extremidade do laser, no ângulo óptico do Brewster (isto reduz a quantidade de perdas por reflexão, ao mesmo tempo que polariza o feixe ), uma fonte de alimentação de alta tensão DC, e um tubo de laser de Árgon, que tem um furo de tungsténio, ou óxido de Berílio, que têm um ponto de fusão alto e permitem que o laser opere a níveis de potência elevados com maior tempo de vida do tubo. O laser de Árgon, também tem que ter um sistema se arrefecimento a água ou a ar…  Assim como no Laser de Hélio-Neon, o laser de Árgon tem o tubo de plasma que contém Árgon e quando a corrente é aplicada ao sistema, os átomos ficam excitados. Os átomos retornam depois ao seu estado fundamental emitindo fotões. Os fotões são, então, reflectidos pelos espelhos e, amplificados, saindo do laser como a luz visível, verde ou azul. Filamentos Aletas de Arrefecimento Cátodo (-) Ânodo(+) Retorno de refrigerante Refrigeran OC HR Berylia (BeO) 31-01-2014 Retorno de Gás Plasma Por : Luís Timóteo Magnetos 96
  97. 97. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers a gás iónicos – Laser de iões de Árgon Ar+ O laser de Árgon tem dois comprimentos de onda dominantes: 514nm que emite luz verde e 488nm que emite luz azul e UV. A Inversão de população ocorre entre o nível 4p e o nível 4s. O Nível 4s tem tempo de vida curto e decai para o estado fundamental do ião de Árgon. O ião de Árgon recaptura e os electrões são movidos para o nível fundamental do átomo de Árgon Inversão de população é conseguida num processo de dois passos. Primeiro de tudo , os electrões no tubo, colidem com átomos de Árgon e ionizam-nos de acordo com o esquema:  Ar (estado fundamental) + muitos electrões com muita energia.  Þ Ar + (estado fundamental) + ( muitos + 1) electrões com menos energia. Diagrama dos Níveis de Energia do Laser de Árgon. Os iões de Árgon no estado fundamental (Ar +), têm uma longa vida, e alguns são capazes de colidirem com mais electrões, antes de se recombinarem com electrões mais lentos. Isto coloca-os em estados excitados de acordo com este esquema. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 4p 488nm Transições Laser 514nm Bombeamento (Ar +) 4s 72nm Decaimento radiativo Estado fundamental do ião Árgon Estado fundamental do Árgon átomo 97
  98. 98. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers a gás iónicos – Laser de iões de Árgon Ar+ Funcionamento: Diagrama dos Níveis de Energia do Laser de Árgon. Uma vez que há 4 níveis p, em comparação com apenas dois níveis de 4s, as estatísticas do processo de colisão deixa três vezes mais o número de electrões no nível 4p do que no nível 4s. Assim, temos a inversão de população. Além disso , as transições em cascata de estados excitados mais altos também facilita o mecanismo de inversão de população . O tempo de vida do nível 4p é de 10 ns, o que comparado com tempo de vida de a 1 ns do nível 4s não deixa dúvidas de o laser ser possível. 4p 488nm Transições Laser 514nm Bombeamento 4s 72nm Decaimento radiativo (Ar +) 3p5 3p6 Estado fundamental do ião Árgon Estado fundamental do Árgon átomo O diagrama mostra as linhas de laser visíveis que são produzidas a partir de Árgon simples ionizado. O Gás Crípton simples ionizado também produz um rico espectro de linhas de laser (embora seja muito menos eficiente do que o Árgon). O Árgon pode ser duplamente ionizado, produzindo nesse caso linhas de laser ultravioleta. Como se pode imaginar os lasers de Árgon UV, exigem ainda mais energia de bombeio, sendo necessárias ainda mais altas correntes de excitação no tubo. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 98
  99. 99. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers a gás iónicos – Laser de iões de Árgon Ar+  Um dos efeitos colaterais do uso de altas correntes de descarga e gás de baixa pressão, nos lasers de iões de Árgon, é uma temperatura extremamente elevada de do plasma de electrões, o que gera uma quantidade significativa de calor. Na maioria dos casos, de alta potência (2 a 100 watts) os sistemas laser de iões de Árgon, são refrigerados através de um sistema externo a água, mas os modelos de potência mais baixa (5-150 miliwatts) podem ser refrigerados com ar forçado, através de um ventilador eficiente.  Os Lasers Árgon utilizados em técnicas de microscopia de fluorescência confocal e outros, são geralmente da variedade de baixa potência, que produzem entre 10 e 100 miliwatts de potência em modo TEM (00) a 488 nm. A cavidade do laser para estes sistemas mais pequenos é de cerca de 35 a 50 centímetros de comprimento e cerca de 15 centímetros de diâmetro, e pode ser alojado numa pequena caixa com uma ventilação integrada para fornecer arrefecimento a ar. Entrada de refrigerante Matriz de Magnetos Retorno de refrigerante Janela de Brewster selada Eléctrodo ânodo (+) Isolamento Cerâmico Anel de Cobre Janela de Brewster selada Feixe 31-01-2014 segmentos do Núcleo Furos de Retorno de Gás Filamentos Conjunto do Cátodo Disco de Tungsténio Blindagem de iões Por : Luís Timóteo 99
  100. 100. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers a gás iónicos – Laser de iões de Árgon Ar+ O laser de iões de Árgon Linhas do Laser de Iões de Árgon: Comp. onda 454.6 nm 457.9 nm 465.8 nm 472.7 nm 476.5 nm 488.0 nm 496.5 nm 501.7 nm 514.5 nm 528.7 nm 31-01-2014 Pot. Relativa Pot. Absoluta .03 .06 .03 .05 .12 .32 .12 .07 .40 .07 .8 W 1.5 W .8 W 1.3 W 3.0 W 8.0 W 3.0 W 1.8 W 10.0 W 1.8 W Table from http://www.eio.com/repairfaq/sam/laserarg.htm#argbcs Por : Luís Timóteo 100
  101. 101. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers a gás iónicos – Laser de iões de Árgon Ar+ Características Usa os níveis de energia de átomos de Árgon ionizados. Emite vários comprimentos de onda discretos entre 330 – 530 nm. Requer grande quantidade de energia para excitação. A descarga laser é muito intensa. Determinado comprimento de onda, dos muitos possíveis, é escolhido usando prismas dispersivos, ou grades de difracção (Bragg). Potência de saída está compreendida no intervalo de 3 a 5 W. Aplicações A cirurgia do olho. Entretinimento. Holografia. Espectro-química. Imagem óptica. Processamento de semicondutores. Impressão, cópia, digitalização (scan). 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 101
  102. 102. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers a gás iónicos – Laser de iões de Crípton Kr+ O gás crípton é um gás incolor, inodoro e raro na atmosfera terrestre (1,14 ppmv (partes por milhão em volume)). Além de ser encontrado no nosso planeta, pesquisas constataram a presença destes gás em Marte. O crípton pode ser encontrado em regiões que contenham vulcões. Nesse local, o elemento pode ser extraído dos gases vulcânicos e das águas termais. O seu uso mais comum é em lâmpadas incandescentes e fluorescentes, sendo também usado na fabricação de laser utilizados em procedimentos oftalmológicos na medicina para cirurgia da retina dos olhos. O laser de crípton é um laser de iões, um tipo de laser de gás usando iões de Crípton como um meio de ganho, bombeado por descarga eléctrica, muito semelhante ao laser de iões de Árgon, mas o seu desempenho é inferior. É usado ​para a pesquisa científica, ou quando o crípton é misturado com Árgon, para a criação de lasers "de luz branca", aliás as principais aplicações deste laser estão no ramo da arte e entretenimento, através da criação de grandes efeitos visuais. Também é utilizado em medicina (por exemplo, para a coagulação da retina), para a produção de hologramas de segurança, e vários outros fins. Este laser tem várias linhas do espectro visível, em particular na parte do espectro de amarelo para vermelho: 406.7 nm, 413.1 nm, 415.4 nm, 468.0 nm, 476.2 nm, 482.5 nm, 520.8 nm, 530.9 nm, 568.2 nm, 647.1 nm, 676.4 nm. A potência máxima de saída de cada linha é de cerca de 100 mW. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 102
  103. 103. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers a gás iónicos – Laser de iões de Crípton Kr+ Comprimento de onda 406.7 nm 413.1 nm 415.4 nm 468.0 nm 476.2 nm 482.5 nm 520.8 nm 530.9 nm 568.2 nm 647.1 nm 676.4 nm 31-01-2014 Potência .9 W 1.8 W .28 W .5 W .4 W .4 W .7 W 1.5 W 1.1 W 3.5 W 1.2 W Por : Luís Timóteo 103
  104. 104. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers a gás iónicos – Laser de iões de Crípton Kr+ http://www.drewfoxdj.com/equipment.htm 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 104
  105. 105. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers moleculares a gás – Laser dióxido de Carbono (CO2) Introdução: O laser de dióxido de carbono (laser CO2) é um dos mais antigos lasers de gás desenvolvidos por Kumar Patel no Bell Labs em 1964. Hoje em dia, tem um grande número de aplicações desde a indústria, medicina a aplicações militares. Janela transparente Janela transparente Cátodo calado Cátodo calado CO2 + N2 Espelho 100% Espelho de Saída (semitransparente) Líquido de refrigeração CO + N 2 2  O laser de dióxido de carbono em modo contínuo tem grande potência e é facilmente acessível. Também é razoavelmente eficaz, a relação de potência de bombagem (potência de excitação) vs potência de saída pode chegar a 70%.  O tipo mais simples de laser de CO2 é um tubo de descarga fechado, com uma mistura de gases, (Dióxido de carbono CO2 , de 10 a 20%; Nitrogénio N2, de 10 a 20%; Hidrogénio (H2) e/ou Xenon (Xe) em pequena percentagem de Hélio (He), para completar) e um espelho numa extremidade com índice de reflexão de 100%, e na outra extremidade e um espelho semitransparente revestido no lado de saída com selenieto de zinco, com uma reflectividade de 5 a 15%, (as proporções variam em função do tipo e fim..) 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 105
  106. 106. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers moleculares a gás – Laser dióxido de Carbono (CO2) Amplificação: O meio de amplificação é uma mistura de gases(moléculas), conforme vimos anteriormente, em que ocorre uma descarga eléctrica, resfriado por um circuito de água no caso de grande potência. Janela transparente Janela transparente Cátodo calado Cátodo calado CO2 + N2 Espelho 100% Espelho de Saída (semitransparente) Líquido de refrigeração CO2 + N2 Inversão de população no laser, é realizada na seguinte sequência:  A colisão de uma molécula com um electrão, induz um estado vibratório no Nitrogénio (Azoto). Como o Nitrogénio é uma molécula homonuclear, não perde a sua energia por emissão de um fotão, pelo que os seus níveis de excitação vibracionais são assim, metaestáveis ​e têm uma vida útil elevada;  A transferência da energia de colisão entre o Azoto e o dióxido de carbono, induz uma excitação de vibração no dióxido de carbono, com energia suficiente para conduzir á inversão de população desejada para a operação do laser; 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 106
  107. 107. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers moleculares a gás – Laser dióxido de Carbono (CO2) Amplificação: - Inversão de população (Cont.)  As moléculas permanecem num estado excitado inferior. O retorno ao estado fundamental é feito por colisões com átomos de Hélio frios. Os Átomos de Hélio excitados pelo choque, têm de ser arrefecidos para manter a sua capacidade de produzir uma inversão da população das moléculas de dióxido de carbono. Em lasers de ampolas seladas, o arrefecimento é realizado por permuta de calor quando os átomos de hélio ricocheteiam nas paredes frias das mesmas.  Para lasers de fluxo, o fluxo contínuo de CO2 e N2 é excitado por uma descarga eléctrica e a mistura de gás quente é evacuada por uma bomba. Na verdade, as transições são feitas, nas bandas de vibração e rotação molecular duma molécula triatómica linear, podendo-se seleccionar a estrutura de rotação das bandas Ku e R, com o auxílio de um sistema de afinação da cavidade óptica.  Como os materiais transparentes causam perdas significativas nos infravermelhos, são quase sempre usados sistema de afinação da frequência na grade de difracção. Rodando a grade, pode-se isolar uma linha espectral rotativa particular, das transições electrónicas. Também se pode usar um interferómetro de Fabry-Perot e assim obter uma linha muito fina. Na prática, isto significa que um contínuo de linhas espectroscópicas separadas por cerca de 1 cm-1 (30 GHz), em conjunto com a substituição isotópica, pode ser utilizado numa área entre 880-1090 cm-1. Essa capacidade dos lasers de CO2 de se poderem alinhar, é usada principalmente em investigação. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 107
  108. 108. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers moleculares a gás – Laser dióxido de Carbono (CO2) Funcionamento: O CO2 é o gás onde ocorre o processo de emissão laser, mas outros gases são adicionados ao tubo laser, para melhorar a eficiência global do laser. O CO2 é uma molécula linear, e os três átomos estão situados em linha recta com o átomo de carbono no meio. Os três modos de vibracionais da molécula de CO2 são ilustrados: Modo de alongamento simétrico (1). Modo de flexão (2). Modo de alongamento assimétrico (3). (1= 4x1013 [Hz].) (2= 2x1013 [Hz].) (3= 7x1013 [Hz].) Donde: w  ( k / mr ) É a frequência de oscilação e mr é a massa reduzida do sistema. 1/2 31-01-2014 Por : Luís Timóteo Para cada um destes modos normais de vibração para a molécula de CO2, está associada com uma frequência característica de vibração (w) e um nível fixo de energia: E J  ( J  1/2)w J  1,2,3,... 108
  109. 109. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers moleculares a gás – Laser dióxido de Carbono (CO2) Estrutura mais complexa: 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 109
  110. 110. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers moleculares a gás – Laser dióxido de Carbono (CO2) Funcionamento: O laser de dióxido de carbono é um laser de gás que usa a diferença entre os níveis de energia vibracional e energia de rotacional. Dentro dos níveis vibracionais do CO2, existem subníveis de energia rotacional. Uma mistura de N2 e gás CO2 é colocada dentro de uma câmara. Os átomos N2 são excitados por meio de um mecanismo de bombeamento de descarga eléctrica. 001 2349 2331cm-1 E=18cm-1 10,6m 1388cm-1 100 Transferência de cm-1 energia 9,6m 020 Excitação 667cm-1 Excitação 010 Os átomos excitados, em seguida, colidem com os átomos de 000 000 CO2, transferindo energia. 1 2 3 Esta transferência de energia faz com que o CO2 salte para um nível de vibração mais elevado. As moléculas excitadas de CO2, em seguida, passam por emissão espontânea, relaxando para níveis mais baixos de rotação-vibração aumentando o sinal da luz incidente.. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 110
  111. 111. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers moleculares a gás – Laser dióxido de Carbono (CO2) Funcionamento: O plasma do laser de CO2 contém He, CO2 e N2. Quando os electrões acelerados pelo campo eléctrico colidem com as moléculas de N2, excitamnas para os seus níveis de vibração mais baixos. As moléculas de Nitrogénio facilitam o processo de excitação das moléculas de CO2. O primeiro nível de energia vibracional da molécula de Nitrogénio é semelhante ao modo de tensão da molécula assimétrica do CO2, de modo que a energia pode ser transferida facilmente das moléculas excitadas do Nitrogénio, para as moléculas de CO2. As moléculas de Hélio são adicionadas à mistura de gases para despovoar o nível mais baixo de energia do laser afim de manter a inversão de população, e estabilizar a descarga eléctrica, dissipando o calor da zona de acção laser. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 111
  112. 112. Lasers Laser Tipos de Lasers: Lasers moleculares a gás – Laser dióxido de Carbono (CO2) Tipos de Laser de CO2:  O Laser CO2 de fluxo de gás: Nestes lasers, a mistura de gás flui continuamente através do tubo do laser, enquanto a acção do laser ocorrer. O fluxo de gás é utilizado quando é necessária uma potência máxima de saída do laser de CO2. Laser de CO2 selado : O tubo de laser é preenchido com a mistura de gases apropriada e é então selado. É aplicada uma alta tensão entre os eléctrodos entre cada extremidade do tubo de gás. Os electrões acelerados excitam as moléculas do gás. O problema com os lasers selados, é a dissociação das moléculas de CO2 em CO e O, simultaneamente. Para reduzir este efeito, é adicionado um catalisador á mistura de gases. Laser de CO2 de Guia de ondas: Quando o diâmetro do tubo é reduzido para um tamanho de cerca de 1 mm, torna-se um guia de ondas. A radiação dentro de um tubo de pequeno diâmetro é confinada para se mover ao longo do tubo, com perdas reduzidas. Estes pequenos lasers de CO2 podem produzir até 50 watts de radiação contínua. Lasers de CO2 de fluxo transversal: quando o fluxo de gás no laser é perpendicular ao eixo de laser, é possível manter um fluxo muito maior, devido à distância ser muito curta. Uma vez que a refrigeração, para o fluxo de gás é altamente eficiente, é possível obter uma elevada potência de saída nestes lasers. Tanto o fluxo de gás, como a descarga eléctrica ocorrem ao longo da largura do laser. Então, a distância entre os eléctrodos é pequena, de modo que a descarga eléctrica pode ser obtida, mesmo em gás de alta pressão (com poucas atmosferas). Os lasers de CO2 de fluxo transversal são utilizados para muito alta potência. 31-01-2014 Por : Luís Timóteo 112

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