Espalhamento Raman

Lasers

Laser

História do desenvolvimento e algumas aplicações

Foto: Rudolf Lessmann

Introdução

• Maser• Laser• O primeiro laser• Condições• Desenvolvimentos• Aplicações

Laser: uma nova fonte de luz

• Monocromática (1 cor ou comp. de onda)

• Altamente direcional com baixa divergência

• Capaz de ser focalizada num ponto muito

pequeno

• Pulsos curtos de luz com alta intensidade

O papel de Einstein

Em 1917 Einstein publicou estudo sobre o Em 1917 Einstein publicou estudo sobre o equilíbrio dinâmico para um meio material equilíbrio dinâmico para um meio material imerso em radiação eletromagnética, imerso em radiação eletromagnética, absorvendo-a e reemitindo-a. absorvendo-a e reemitindo-a.

O processo de emissão estimulada.O processo de emissão estimulada.

Absorção e emissão

A probabilidade da emissão A probabilidade da emissão estimulada é idêntica à estimulada é idêntica à probabilidade da absorção probabilidade da absorção estimulada. estimulada.

Absorção e emissão

http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/lasers/electroncycle/laserfigure1.jpg

Níveis de energia:

O argumento de Einstein

Equilíbrio:

espontâneaestimulada absorção

Em equilíbrio térmico:

O argumento de Einstein

No limite clássico (T infinita):

(prob. de emissão estimuladaaprox. igual a prob. de absorção)

Resolvendo para u ():

Ou:

(Parecida com Planck)

O argumento de Einstein

Planck:

Então:

Isto é, emissão estimulada é proporcional a emissão espontâneaem equilíbrio.

MASER

MMicrowave icrowave AAmplification by mplification by SStimulated timulated EEmission of mission of RRadiationadiation

Charles H. Townes Charles H. Townes (1954)(1954)

LASER

•1958 Previsão de condições para amplificação de 1958 Previsão de condições para amplificação de luz por emissão estimulada (Laser) por Cluz por emissão estimulada (Laser) por Charlesharles H. H. Townes e Arthur L. Schawlow (Nobel 1981) Townes e Arthur L. Schawlow (Nobel 1981) •Julho 1960 Primeira operação bem sucedida de Julho 1960 Primeira operação bem sucedida de um maser óptico (laser) por Theodore H. um maser óptico (laser) por Theodore H. Maiman Maiman

Theodore H. MaimanTheodore H. Maiman

LLight ight AAmplification by mplification by SStimulated timulated EEmission of mission of RRadiationadiation

O primeiro laser: Rubi

Laser Laser pulsado de pulsado de rubi (1960)rubi (1960)meio ativo: meio ativo:

AlAl22OO33 :Cr :Cr22OO33 (0,05%) (0,05%)

Condições

•Inversão de PopulaçãoInversão de População

Nesta situação a Nesta situação a emissão estimulada emissão estimulada domina sobre a domina sobre a absorção estimulada.absorção estimulada.

Condições

O fóton emitido está em fase O fóton emitido está em fase com, tem a polarização de, e com, tem a polarização de, e se propaga na mesma direção se propaga na mesma direção da radiação que o estimulou.da radiação que o estimulou.

•Emissão EstimuladaEmissão Estimulada

Mecanismo

Níveis de energia: laser de Rubi

estados F(largos)

transições rápidas

não-radiativas

estados metaestáveisluz de bombeio

estado fundamental

Níveis de energia dos íons Cr no rubi

transiçãolaser

(694,3 nm)

Cavidade Laser

A cavidade óptica ressonante

modos longitudinais (ondas estacionárias):modos longitudinais (ondas estacionárias):

A cavidade óptica ressonante

modos longitudinais (ondas estacionárias):modos longitudinais (ondas estacionárias):

Modos transversais

TEMTEM0000 TEMTEM1010 TEMTEM2020 TEMTEM3030

TEMTEM1111 TEMTEM2121 TEMTEM2222 TEMTEM1313 TEMTEM0303

Modos transversais: fase

Classificação

Divididos em quatro áreas abrangentes, dependendo do potencial de dano Divididos em quatro áreas abrangentes, dependendo do potencial de dano biológico:biológico:

• Classe IClasse I – estes lasers não emitem radiação dentro dos níveis de perigo – estes lasers não emitem radiação dentro dos níveis de perigo conhecidos.conhecidos.• Classe IMClasse IM – pode apresentar perigo se observada com instrumentos – pode apresentar perigo se observada com instrumentos ópticos.ópticos.• Classe IIClasse II – lasers de baixa potência, os quais emitem acima dos níveis da – lasers de baixa potência, os quais emitem acima dos níveis da classe I, mas com potência não acima de 1 mW. O conceito aqui é que a classe I, mas com potência não acima de 1 mW. O conceito aqui é que a reação humana de aversão ao brilho intenso iria proteger a pessoa. Perigosa reação humana de aversão ao brilho intenso iria proteger a pessoa. Perigosa se exposição > 0,25 s.se exposição > 0,25 s.• Classe IIMClasse IIM – como a classe II, mas apresenta maior perigo se observada – como a classe II, mas apresenta maior perigo se observada com instrumentos ópticos.com instrumentos ópticos.• Classe IIIRClasse IIIR – lasers de potência intermediária ( – lasers de potência intermediária (cwcw: 1 a 5 mW). Risco baixo, : 1 a 5 mW). Risco baixo, mas potencialmente danoso. São danosos apenas para exposição direta do mas potencialmente danoso. São danosos apenas para exposição direta do olho ao feixe. A maioria dos apontadores laser estão nesta classe. olho ao feixe. A maioria dos apontadores laser estão nesta classe. • Classe IIIBClasse IIIB – lasers de potência moderada, abaixo de 0,5 W. – lasers de potência moderada, abaixo de 0,5 W. Potencialmente perigosPotencialmente perigososos para os olhos e pele. para os olhos e pele. • Classe IVClasse IV – lasers de alta potência ( – lasers de alta potência (cwcw: 500 mW, pulsado: 10 J/cm: 500 mW, pulsado: 10 J/cm22 ou o ou o limite de reflexão difusa), os quais são danosos aos olhos em quaisquer limite de reflexão difusa), os quais são danosos aos olhos em quaisquer condições (espalhado diretamente ou difuso), e podem provocar incêndios condições (espalhado diretamente ou difuso), e podem provocar incêndios ou danos a pele. Requerem controles específicos nas instalações. ou danos a pele. Requerem controles específicos nas instalações.

Desenvolvimentos

•O laser de He-NeO laser de He-Ne

Fevereiro 1961 Ali Javan, W.R. Bennett Jr. e D. R. Herriott - Laser Fevereiro 1961 Ali Javan, W.R. Bennett Jr. e D. R. Herriott - Laser He-Ne contínuo (cw) 1152.3 nmHe-Ne contínuo (cw) 1152.3 nm

Mistura típica 0.8 torr de He e 0.1 torr de NeMistura típica 0.8 torr de He e 0.1 torr de Ne

Hoje em dia 632.8 nmHoje em dia 632.8 nm

O laser de He-Ne

Desenvolvimentos

•Lasers de Estado SólidoLasers de Estado Sólido ((de aprox. 170 nm a 3900 nmde aprox. 170 nm a 3900 nm))

Ex: Ex: NdNd3+3+, Ho, Ho3+3+, Gd, Gd3+3+, Tm, Tm3+3+, Er, Er3+3+, Pr, Pr3+3+ e e EuEu3+3+ em cristais de em cristais de CaWOCaWO44, Y, Y22OO33,, SrMoOSrMoO44, LaF, LaF33, , YAGYAG e e vidrovidro

•Lasers a GásLasers a Gás ((do IR ao UV(1 mm a 150 nm)do IR ao UV(1 mm a 150 nm)))

Ex: He-Ne, Ar, Kr, COEx: He-Ne, Ar, Kr, CO22, N, N22, He-Cd, He-Cd

•Lasers Semicondutores (1962)Lasers Semicondutores (1962) ( (junção ou diodo laser, 700 nm a junção ou diodo laser, 700 nm a 30 mm30 mm))

Ex: GaAs/GaAlAs, GaInAsP/InPEx: GaAs/GaAlAs, GaInAsP/InP

•Lasers de Corantes (1963)Lasers de Corantes (1963) ((solução corante + solvente, do IR ao solução corante + solvente, do IR ao UVUV))

•Lasers Químicos (1964)Lasers Químicos (1964) ((bombeado com energia de reação bombeado com energia de reação químicaquímica))

Ex: DF-COEx: DF-CO2 2 (F (F22 + D + D22 ® 2DF) ® 2DF)

Laser a gás

Figure 1: Setup of a 20-W argon ion laser. The gas discharge with high current density occurs between the hollow anode and cathode. The intracavity prism can be rotated to select the operation wavelength.

http://www.rp-photonics.com/argon_ion_lasers.html

Ar+ laser

http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/lasers/argonionlaser/

O laser de estado sólido

Semicondutor tipo p Semicondutor tipo n

Posição

log

da c

once

nt.

Esquema de bandas da junção p-n

Carga espacial devido a defeitos ionizados

Concentração de doadores e aceitadores

p n- - + +- - + +- - + +- - + +- - + +

d0

O diodo emissor de luz (LED)

O laser de semicondutor

O laser semicondutor

Desenvolvimentos

Desenvolvimentos

Condensado de Bose-Condensado de Bose-Einstein (1924)Einstein (1924)

Emissão coerente de Emissão coerente de pulsos de 100.000 até pulsos de 100.000 até vários milhões de vários milhões de átomosátomos

W. Ketterle et al. (1996)

Do micro

Ao macro

O laser NOVA (EUA)O laser NOVA (EUA)

Aplicações

PesquisaPesquisa estudo de interfaces estudo de interfaces detecção de moléculas detecção de moléculas

MedicinaMedicina cirurgia ocular cirurgia ocular dermatologiadermatologia odontologia odontologia

ComercialComercial leitores de código de barras leitores de código de barras (1974)(1974) telecomunicaçõestelecomunicações

Industrial Industrial corte corte solda solda

Pesquisa

Espalhamento dinâmico de luzEspalhamento dinâmico de luz

Processos de espalhamento de luz

Espalhamento de luzEspalhamento de luz

Espalhamento Espalhamento elásticoelástico

(fóton incidente e espalhado (fóton incidente e espalhado mesma freq.)mesma freq.)

Espalhamento Espalhamento inelásticoinelástico

((fóton incidente e espalhado fóton incidente e espalhado freq. diferentes)freq. diferentes)

RayleighRayleigh(partículas (partículas

menores que menores que ))

MieMie(partículas (partículas

comparáveis a comparáveis a ))

BrillouinBrillouin(fônons (fônons

acústicos)acústicos)

RamanRaman(fônons ópticos ou (fônons ópticos ou

excitação vibracional excitação vibracional na molécula)na molécula)

Aplicações no dia a dia

A impressora a laserA impressora a laser

Aplicações no dia a dia

O CD-driverO CD-driver

Aplicações no dia a dia

O leitores de códigos de barraO leitores de códigos de barra

Aplicações no dia a dia

Medicina e odontologiaMedicina e odontologia

antesantes depoisdepois

Palomar Q Yag 5Palomar Q Yag 5

Aplicações industriais

Absorção de luz por metais

laserlaserde diodode diodo200 W200 W

laserlaserde COde CO22

30 kW30 kW

Aplicações

O laser de CO2

O laser de Nd:YAG

O papel da polarização

Perpendicular ao cortePerpendicular ao corte

Paralela ao corteParalela ao corte

O perfil de intensidade

A máquina de corte a laser

A cabeça

Corte e soldagem

Conclusões

http://http://www.laserfocusworld.comwww.laserfocusworld.com

http://www.photonics.com/spectraHome.aspxhttp://www.photonics.com/spectraHome.aspx