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)
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
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