i
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS
MURILO ALEXANDRE FENDRICH
DESENVOLVIMENTO DO PROCESSO DE RECUPERAÇÃO EM CANHÕES
LASER CO2 DE VIDRO SELADOS
FLORIANÓPOLIS
2007
ii
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS
MURILO ALEXANDRE FENDRICH
DESENVOLVIMENTO DO PROCESSO DE RECUPERAÇÃO EM CANHÕES
LASER CO2 DE VIDRO SELADOS
Trabalho de Graduação apresentado ao Curso de
Engenharia de Materiais da Universidade Federal de
Santa Catarina como parte dos requisitos para obtenção
do título de Engenheiro de Materiais.
Orientador: Prof. Alexandre Lago, Ph.D.
Co-Orientador: José Maria Mascheroni, M.Sc.
FLORIANÓPOLIS
2007
iii
MURILO ALEXANDRE FENDRICH
DESENVOLVIMENTO DO PROCESSO DE RECUPERAÇÃO EM CANHÕES
LASER CO2 DE VIDRO SELADOS
Este Trabalho de Graduação foi julgado adequado para obtenção do título de Engenheiro de
Materiais e aprovado em sua forma final pelo Curso de Graduação em Engenharia de
Materiais da Universidade Federal de Santa Catarina.
___________________________________
Prof. Dylton do Vale Pereira Filho, M.Sc.
Coordenador
Banca Examinadora:
___________________________________
Prof. Alexandre Lago, Ph.D.
Orientador
___________________________________
José Maria Mascheroni, M.Sc.
___________________________________
Prof. Dylton do Vale Pereira Filho, M.Sc.
.
iv
Fendrich, Murilo Alexandre, 1983Desenvolvimento do processo de recuperação em canhões Laser CO2 de vidro
selados / Murilo Alexandre Fendrich. - 2007.
61 f. : il. color. ; 1 cm
Orientador: Alexandre Lago.
Trabalho de conclusão de curso (graduação) - Universidade Federal de Santa
Catarina, Curso de Engenharia de Materiais, 2007.
1. Laser Gasoso. 2. Radiação Eletromagnética. 3. Gás CO2. I. Lago, Alexandre. II.
Universidade Federal de Santa Catarina. Curso de Engenharia de Materiais. III. Título.
Fonte: Maria Helena de Gouveia e Maria Margarete Sell da Mata.
v
A minha família, maior riqueza que possuo.
vi
AGRADECIMENTOS
À empresa Automatisa Sistemas Ltda., em especial a José Maria Mascheroni, pelo
apoio e depósito de sua confiança, e a Rômulo Salvador pela grande parceria formada.
Aos Professores Alexandre Lago e Nicolau Rodrigues, pela orientação no
desenvolvimento deste trabalho.
Aos meus grandes amigos por todo o incentivo.
À minha família, Patrícia, Junior, Max, Isabel, Rodrigo, Guilherme, Victor e Marcelo
pelo amor, compreensão e paciência dedicados.
Em especial, à Janir e ao Wilson, por serem meu maior braço de apoio, como meus
pais, e nunca deixarão de estar ao meu lado independente do caminho a seguir.
E também a Deus, que caminha comigo todos os dias e assim seguirá.
vii
Educai os meninos e não será necessário castigar os homens.
Pitágoras
viii
RESUMO
Este trabalho tem por finalidade iniciar a primeira etapa do desenvolvimento de
manutenção e recarga em canhões Laser CO2 de vidro selados. Para realizar esta atividade
fez-se inicialmente uma pesquisa acerca da evolução da tecnologia laser existente.
Em seguida fez-se uma busca dos aspectos construtivos dos lasers, mais
precisamente os de CO2 abordando as características dos mesmos em termos do método de
funcionamento, construção e suas misturas gasosas.
Após a pesquisa bibliográfica realizou-se efetivamente a atividade de proceder a
recarga gasosa na cavidade laser a partir de mistura quantificada em laboratório e
acionamento do laser. Mediu-se a potência emitida e obtiveram-se resultados satisfatórios
para esta primeira etapa alcançando-se a potência original apresentada anteriormente pelo
fabricante.
Com base nos resultados obtidos está aberta a possibilidade de realizar manutenção
em canhões laser no Brasil, permitindo o desenvolvimento de tecnologias nacionais.
ix
ABSTRACT
This work has for purpose to initiate the first development stage in sealed CO2 glass
laser tubes maintenance and recharging. To carry out this activity an existing laser technology
evolution research since its invention was performed followed by an approach of lasers
constructive aspects, more precisely CO2 within its characteristics, function method,
construction and gas mixtures.
After the bibliographical research became effectively fulfilled the activity to
proceed the gaseous recharging in the laser cavity within a laboratory quantified mixture,
followed by the first laser emition process. Emitted power was measured and the results were
satisfying to this first stage, achieving the original supplier manufacturing laser power.
Based on the obtained results the possibilities are opened to proceed maintenance on
laser tubes in Brazil, initially developing new national technologies.
x
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Processo de absorção da energia de um fóton. (Svelto, 1982, p. 2).
Figura 2: Processo de emissão espontânea da energia através de um fóton. (Svelto, 1982, p.
2).
Figura 3: Processo de emissão estimulada de energia. (Svelto, 1982, p. 2).
Figura 4: Esquemático simplificado de um Laser.
Figura 5: Esquema de um laser gasoso (Halliday, 1991).
Figura 6: Esquema de um laser semicondutor (Halliday, 1991).
Figura 7: Esquema de um laser de estado sólido gasoso (Halliday, 1991).
Figura 8: Laser CO2 de vidro selado. (parallax-tech.com, 2007).
Figura 9: elementos básicos que compõem um tubo laser. (Luhs, 2003, p. 14).
Figura 10: Estrutura da molécula de CO2 linear apresentando modo de vibração simétrico
(Luhs, 2003, p. 10).
Figura 11: Modo de flexão da molécula de CO2. (Luhs, 2003, p. 10).
Figura 12: Modo de vibração assimétrico da molécula de CO2. (Luhs, 2003, p. 10).
Figura 13: Esquema de rotação da molécula de CO2. (Luhs, 2003, p. 10).
Figura 14: Transições do CO2 e N2. (Luhs, 2003, p. 12).
Figura 15: Mudança do fluxo de fótons no material. (Svelto, 1982. p. 5).
Figura 16: Efeito da adição de He na descarga CO2 – N2 sobre a potência de saída de um laser
de CO2 (Willet, 1974).
Figura 17: Efeito da adição de He sobre a temperatura do gás numa descarga CO2 – N2.
(Willet, 1974).
Figura 18: canhões laser em estudo no trabalho, foto superior canhão A, foto inferior canhão
B.
Figura 19: Seção transversal genérica de um tubo laser de vidro selado representando o
modelo dos canhões em estudo.
Figura 20: Espelhos refletores dos canhões em estudo
Figura 21: Espectro de transmissão para os materiais dos espelhos de saída dos canhões laser
estudados. (SintecOptronics.com, 2006).
Figura 22: Catodos dos lasers em estudo.
Figura 23: Anodos dos lasers em estudo.
Figura 24: medidor contínuo de potência utilizado para captação dos dados.
xi
Figura 25: demonstração da região de alimentação de gás ou “mamica” a ser fragilizada para
posterior recarga.
Figura 26: Conjunto para medição da pressão interna nos tubos laser.
Figura 27: ajuste com tubo de silicone para medição da pressão.
Figura 28: Cromatógrafo para caracterização do gás laser presente nos canhões.
Figura 29: extensões de vidro para acoplar o laser ao sistema de recarga.
Figura 30: bomba de vácuo utilizada no trabalho.
Figura 31: tubo de Hélio para limpeza da cavidade laser.
Figura 32: tubo reservatório de mistura de CO2 para laser.
Figura 33: Montagem experimental da bancada de recarga dos lasers CO2 de vidro selado
Figura 34: Espectro qualitativo da mistura gasosa do laser A.
Figura 35: união da extensão de vidro para recarga.
Figura 36: resultado do procedimento de soldagem com oxi-butano.
Figura 37: exemplo de acoplamento do laser A à tubulação de recarga gasosa.
Figura 38: Evolução da potência dos canhões laser durante um período de 4 horas.
Figura 39: Resultado da recarga do canhão laser A, plasma gerado na cavidade e apontado
como alvo um tijolo.
Figura 40: esquema de montagem da tubulação e válvulas para limpeza e recarga do tubo
laser.
Figura 41: modelo geral do projeto da estação de recarga de lasers.
xii
LISTA DE QUADROS
Quadro 1: Tipos de lasers mais usuais. (Halliday, 1991).
Quadro 2: Valores de potência medidos nos canhões anterior ao experimento de recarga dos
canhões laser A e B.
Quadro 3: medidas das pressões nos canhões.
Quadro 4: resultado da medição quantitativa em cromatógrafo.
xiii
LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E SÍMBOLOS
LASER
Light amplification by stimulated emission of radiation
MASER Microwave amplification by stimulated emission of radiation
CO2
Dióxido de carbono
CO
Monóxido de carbono
He
Hélio
N2
Nitrogênio
Ne
Neônio
E
Energia
h
Constante de Planck
ν
Freqüência
c
Velocidade da luz
∆E
Abertura de banda
Comprimento de onda
h
Constante de Planck
Nd
Neodímio
YAG
Ytrium Aluminum Garnet / Granada de Ítrio Alumínio
Rh6G
Rodamina 6G
Al
Alumínio
As
Arsênio
Ga
Gálio
Xe
Xenônio
Cu
Cobre
Au
Ouro
Mo
Molibdênio
Ar
Argônio
xiv
Si
Silício
Zn
Zinco
Se
Selênio
Ge
Germânio
S
Enxofre
Hz
Hertz
n
População do nível de energia
z
Direção do fluxo de fótons
F
Fluxo de fótons que atravessa o material
F0
Fluxo inicial de fótons que atravessa o material
g
Ganho
Absorção
Seção de choque de transição
l
Comprimento da seção
K
Kelvin
µm
micrometro
nm
nanometro
W
Watts
UV
Ultra violeta
P
Potência
xv
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................... 1
1.1 PROBLEMA E JUSTIFICATIVA ..................................................................................... 1
1.2 OBJETIVO ........................................................................................................................ 3
1.2.1 Objetivo Geral................................................................................................................. 3
1.2.2 Objetivos Específicos ...................................................................................................... 3
2 FUNDAMENTOS TEÓRICOS............................................................................................. 4
2.1 HISTÓRIA DOS LASERS................................................................................................. 4
2.2 CARACTERÍSTICAS GERAIS DOS LASERS ................................................................ 5
2.2.1 Processo Laser ................................................................................................................ 5
2.2.2 Aspectos Construtivos ..................................................................................................... 8
2.2.3. Tipos de lasers................................................................................................................ 9
2.3 O LASER DE CO2. ........................................................................................................ 11
2.3.1 Definição ...................................................................................................................... 11
2.3.2 Propriedades.................................................................................................................. 13
2.3.3 A molécula de CO2 ....................................................................................................... 15
2.3.4 Condição para obtenção LASER na Molécula de CO2 .................................................. 17
2.3.5 Adição de N2 e He......................................................................................................... 19
3 MATERIAIS E MÉTODOS ............................................................................................... 21
3.1 MATERIAIS.................................................................................................................... 21
3.1.1 Laser CO2 de vidro selado e caracterização do equipamento ......................................... 21
3.2 MÉTODOS. ..................................................................................................................... 25
3.2.1 Abertura dos canhões. ................................................................................................... 25
3.2.2 Preparação para recarga................................................................................................. 29
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO......................................................................................... 33
4.1 POTÊNCIA, PRESSÃO E CARACTERIZAÇÃO DOS GASES.................................... ..33
4.1.1 Potência anterior a abertura dos canhões ....................................................................... 33
4.1.2 Medida da pressão interna ............................................................................................ 34
4.1.3 Caracterização dos gases ............................................................................................. 342
4.2 UNIÃO DA EXTENSÃO DE RECARGA....................................................................... 36
4.3 LIMPEZA DA CAVIDADE, POTÊNCIA OBTIDA E SELAGEM ................................. 37
xvi
5 CONCLUSÕES ................................................................................................................ 450
REFERÊNCIAS .................................................................................................................... 41
ANEXO A ............................................................................................................................. 43
1
1 INTRODUÇÃO
1.1 PROBLEMA E JUSTIFICATIVA
A história do Laser teve início em 1899 com Max Planck apresentando as primeiras
considerações e cálculos sobre os fótons. Mais precisamente após a segunda guerra mundial
vem evoluindo continuadamente para aplicação nos mais diversos tipos de processamento de
materiais graças às descobertas contínuas sobre os efeitos realizados por sua radiação.
Contudo até a atualidade os lasers ainda trazem uma série de desafios para os que desejam
empregar esta tecnologia.
Este trabalho de conclusão de curso foi desenvolvido a pedido da empresa
Automatisa Sistemas Ltda., em uma parceria com o curso cooperativo de Engenharia de
Materiais da UFSC e visa realizar a manutenção em canhões Laser CO2 (dióxido de carbono)
de vidro selados, contínuos e excitados por corrente contínua.
O trabalho desenvolvido contou com a ajuda do professor Alexandre Lago, e teve
sua parte experimental realizada nos laboratórios do Instituto de Estudos Avançados do
Centro Técnico Aeroespacial (IEAv/CTA) na cidade de São José dos Campos/SP.
Os canhões laser CO2 de vidro selados são bastante comuns no mercado de máquinas
para processamento de materiais por laser (ex: corte, marcação, soldagem, etc.). Tais
equipamentos exigem manutenção de acordo com seu uso. Da mesma forma os canhões laser
CO2 de vidro selados possuem um tempo de vida médio, o qual é dependente de fatores como
a qualidade do gás, do material dos eletrodos, do sistema de refrigeração e das características
de excitação da fonte de alta tensão.
Uma das questões evidentes relativa aos canhões de laser CO2 de vidro selados é o
seu tempo de vida. Dentre os fatores que contribuem para a diminuição da vida útil do laser
pode-se citar a degradação da molécula do gás CO2 em CO (monóxido de carbono) e a
contaminação do meio ativo junto aos eletrodos.
Segundo a Optech Consulting em estudo realizado em 2004, analisando as
tendências do mercado laser entre os anos de 2002 e 2010, haverá um incremento em termos
financeiros de 110 para 200 milhões de Euros relativos à comercialização de lasers de CO2
selados com potências abaixo de 500 watts. Acompanhando tal tendência, o crescimento de
máquinas laser no Brasil utilizando-se desta faixa de potência também vem evoluindo
significativamente nos últimos anos.
2
Os lasers de CO2 dominam o segmento de lasers atualmente, por sua versatilidade de
aplicações, relativo baixo custo, construção simples e disponibilidade de materiais no
mercado.
Os mesmos são largamente utilizados no segmento industrial para processamento de
materiais, sendo estes basicamente em operações de corte e soldagem (com potências da
ordem de muitos quilowatts), para marcação a laser (com baixas potências), aplicáveis a
metais, tecidos, papéis ou tratamento cerâmico, mas também em cirurgias laser.
Há no presente momento no Brasil total dificuldade para realizar manutenção destes
canhões laser que estão em trabalho, devido ao fato de não haver oferta de serviços que
realizem a recuperação dos mesmos, restaurando sua potência e o tempo de vida útil
especificado inicialmente pelo fabricante.
A solução até então passa pelo processo de remover o canhão do local onde o mesmo
está em trabalho e enviar ao seu país de origem para realização de recarga ou até considerar a
hipótese de descartá-lo.
O fato de enviar ao seu país de origem e esperar pelo retorno do canhão toma em
média 70 dias, o que normalmente deixa o equipamento em que o canhão está operando
inviabilizado de trabalhar gerando atrasos e prejuízos.
Conforme citado acima, o processo de manutenção realizado fora do país no canhão
laser CO2 selado consiste em quebrar a selagem existente na parte interna da ampola de vidro,
realinhar e/ou efetuar a troca dos espelhos do laser, eletrodos, limpeza da cavidade, evacuação
da mesma, novo enchimento com mistura gasosa a base de CO2, Hélio (He) e Nitrogênio (N2)
finalizado pela nova selagem.
Por estas razões torna-se interessante técnica e economicamente promover o
desenvolvimento de uma linha de estudo e processo que permita a realização da recarga
nestes tipos de Lasers, evitando-se dispêndios excessivos em logística internacional, e em
conseqüência abrindo um novo ramo de trabalho para a indústria nacional.
Neste trabalho serão feitas as atividades identificadas como manutenção explicitadas
acima, ou seja, será aberto um canhão laser CO2 de vidro selado, limpeza da cavidade,
evacuação, recarga com nova mistura gasosa e nova selagem. Como avaliações quantitativas
serão também realizadas e comentadas as medidas de potência obtida após a atividade de
recarga buscando o máximo de informações que possam ser tratadas em termos de garantia na
recuperação da potência nominal do canhão e conhecimento para o processo industrial de
manutenção e recarga em canhões laser CO2 de vidro selados.
3
1.2 OBJETIVO
1.2.1 Objetivo geral
O trabalho tem por objetivo recuperar dois canhões de Laser de CO2, de vidro,
selados, procedentes de dois fornecedores distintos a fim de restabelecer a potência nominal.
1.2.2 Objetivos específicos
- Efetuar a abertura dos canhões
- Inserção da nova mistura de gás
- Selagem do tubo
- Obter as medidas para controle da potência e desempenho do laser
- Discutir os resultados obtidos e dificuldades no processo
- Propor soluções para os problemas encontrados durante o estudo
4
2 FUNDAMENTOS TEÓRICOS
2.1 HISTÓRIA DOS LASERS
O laser, cuja sigla em inglês significa Light Amplification by Stimulated Emission of
Radiation, ou seja, amplificação da luz por emissão estimulada de radiação, começou a ter seu
uso explorado na Segunda metade do século XX e desde então, tal ferramenta tem se
difundido de forma acentuada, tornando-se objeto de inúmeras pesquisas e processos em
diferentes áreas de atuação como na medicina, odontologia, indústria e também comércio.
A invenção do laser ocorreu graças a uma das leis que determinaram o marco inicial
da física quantica, elaborada pelo físico alemão Max Planck em 1899, na qual o físico
elaborou a constante que leva seu próprio nome (Planck) e é utilizada para o cálculo da
energia absorvida ou irradiada do fóton.
No ano de 1905, Albert Einstein abordou em um de seus artigos a idéia dos fótons
tratando da teoria quantica da luz e assim possibilitou explicar o efeito fotoelétrico.
A teoria dos fótons de Einstein contradizia a teoria ondulatória da luz pelo fato das
idéias do físico alemão irem contra as noções de física corrente da época, por esta razão
Einstein não obteve apoio da comunidade científica, sendo reconhecido pela mesma somente
em 1922.
A idéia fundamental de Einstein era a de que toda radiação com frequencia visível
tem o efeito físico por trás de seu funcionamento caracterizado pela emissão estimulada,
condição necessária ao equilíbrio térmico da radiação com a matéria.
Einstein descobriu através de suas considerações teóricas que não apenas um átomo
aborve um fóton incidente e o reemite ao acaso após certo tempo (emissão irradiada), mas que
também este mesmo átomo deve reemitir seu fóton absorvido se um segundo interagir com o
mesmo. O fóton reemitido tem a mesma frequência do fóton que o estimulou e, igualmente
importante, apresenta a mesma fase.
Em 1916, Albert Einstein, a partir da lei de Planck, apresentou os fundamentos da
invenção do laser, o maser, que ficaria esquecida até o fim da Segunda guerra mundial, e em
1953 em pesquisa liderada por Charles Hard Townes, foi produzido o primeiro Maser
(Microwave amplification by stimulated emission of radiation), um dispositivo similar ao
laser, que se difere do mesmo pelo fato de que em vez da emissão de luz visível o maser
produz microondas.
5
No ano de 1960 o físico americano Theodore Maiman aplicou os princípios do
maser para a região óptica. Um maser óptico é chamado de laser, dispositivo de estudo deste
trabalho. Em 1961, nos laboratórios BELL, Ali Javan desenvolveu um dispositivo Laser com
um uma mistura gasosa baseada em He e Ne, aparelho atualmente conhecido exatamente pela
junção de ambos os gases, Hélio-Neônio.
Em 1964 Kumar Patel, também nos laboratórios BELL, implementou o primeiro
laser de dióxido de carbono, reportando resultado de menos de 1 miliwatt de potência de saída
e desde então as pesquisas referentes aos diferentes tipos de laser crescem cada vez mais,
possibilitando desta forma um leque de inovações e utilidades em diversas áreas de atuação.
2.2 CARACTERÍSTICAS GERAIS DOS LASERS
2.2.1 Processo Laser
As fontes de luz comum utilizadas no dia-a-dia são incoerentes, isto é, emitem ondas
com diferentes comprimentos e com as mais diversas relações de fase. O resultado é que os
feixes luminosos deste tipo de fonte se espalham muito rapidamente, sendo que grande parte
da energia se perde por efeito da interferência destrutiva. O maior exemplo a ser considerado
é o das lâmpadas.
Conforme sigla já explicada anteriormente, o Laser é um dispositivo que produz
radiação eletromagnética (Luz) com características muito especiais, sendo a mesma
monocromática (freqüência/comprimento de onda muito bem definidos) e coerente (relações
de fase bem definidas), além de ser colimada possibilitando a propagação como um feixe.
Um laser funciona baseado no princípio de excitar um número mínimo de átomos de
determinado material, podendo este material ser sólido, líquido ou gasoso para um nível de
energia superior ou também chamado de excitado. Quando o elétron deixa o estado excitado e
retorna ao estado fundamental o átomo emite o fóton, que pode ser tratado como um pacote de
energia.
A energia de um fóton é quantizada e relacionada ao comprimento de onda, segundo
a Equação 1:
E = hv = hc/
Onde: v é a freqüência em Hz;
(Eq. 1)
6
h é a constante de Planck, h = 6,63 . 10-34 J.s;
c é velocidade da luz, c = 3 . 108 m/s
Este processo de decaimento é também chamado de emissão espontânea e o fóton
emitido é absorvido por outro átomo, que por sua vez deixa o estado de maior valência e
reemite o fóton incidente e o fóton proveniente da mudança de estado de maior para menor
energia. Este fenomeno é chamado de emissão estimulada, o que, em um processo continuo,
resultará na formação do feixe luminoso e pontual.
Para obter-se maior clareza a respeito dos fenômenos atômicos que norteiam o
processo do laser, faz-se necessário esclarecer com mais profundidade os pontos referenciais
apresentandos. Estes são descritos a seguir:
Processo de absorção de energia, ou seja, o elétron orbitando em determinado
nível é submetido a uma energia externa adquirindo capacidade para sair do estado
fundamental para o estado excitado, como mostra a figura 1 a seguir:
Figura 1: Processo de absorção da energia de um fóton. (Svelto, 1982, p. 2).
Processo de emissão de energia, ou seja, o mesmo elétron que anteriormente
absorveu o fóton e saltou de nível, agora permanecerá em um estado instável até o momento
que o mesmo retornar para seu estado fundamental. É durante esta transição que o elétron
emite a energia absorvida. Esta mudança de nível é conhecida como emissão espontânea e
está apresentada na figura 2 a seguir:
Figura 2: Processo de emissão espontânea da energia através de um fóton. (Svelto, 1982, p. 2).
7
Agora será descrito um terceiro processo de transferencia de energia, chamado de
emissão estimulada. Este processo está representado pela figura 3:
Figura 3: Processo de emissão estimulada de energia. (Svelto, 1982, p. 2).
Para conceituar a emissão estimulada deve-se considerar o caso quando o elétron
está em um estado que não seja o fundamental, ou seja, esteja excitado.
Este estado de excitação instável permanece durante certo tempo e, dependendo do
átomo, pode levar um período indesejável. No entanto, pode-se fazer com que este elétron
retorne ao estado fundamental mais rapidamente através de um agente externo, isto é, um
fóton.
Quando este fóton entrar em contato com o elétron excitado haverá a estimulação do
elétron para o estado de mais baixa energia, emitindo assim o fóton oriundo da mudança de
nível juntamente com o fóton que o estimulou.
Uma consideração muito importante e fundamental é a de que estes fótons são a
“luz” de característica coerente, de mesma energia, direção e fase para o funcionamento e
caracterização da produção do laser.
Estes dois fótons emitidos irão estimular outros átomos elevenado-os ao seu estado
excitado, provocando assim a emissão de mais fótons com as mesmas características dos
fótons excitantes. Desta forma ocorre uma série de emissões estimuladas, que comporão a luz
amplificada com ondas de mesma direção e fase.
Partindo-se do princípio da emissão estimulada explicado, ainda é necessário
confinar esta energia numa região determinada, por isto as etapas a seguir descrevem o
processo de confinamento em uma ampola com espelhos altamente refletivos e paralelos entre
si.
8
2.2.2 Aspectos Construtivos
Como foi apresentado anteriormente, a energia do fóton emitido está relacionada
com o seu comprimento de onda. Deste modo, quando há necessidade de que o sistema emita
luz com determinado comprimento de onda, o primeiro aspecto construtivo de um laser é
selecionar um meio ativo (material) em que os elétrons apresentem características de seu
espaçamento entre o nível fundamental e excitado exatamente igual a energia do feixe que se
deseja obter.
Os meios-ativos de lasers podem ser feitos a partir de materiais sólidos, líquidos ou
gasosos.
Para construir-se um laser, além do meio-ativo, também é de fundamental
importância outras duas partes denominadas de fonte externa e espelhos, conforme esquema
demonstrado na figura 4.
Figura 4: Esquemático simplificado de um Laser
Uma condição necessária para se obter o laser relaciona-se com o estado dos
elétrons, ou seja, estes deverão estar em níveis excitados, do contrário não haverá o
desencadeamento do processo de emissão estimulada.
Assim sendo, constata-se que antes de estimular o processo quântico, necessita-se
excitar o meio ativo, para que desta forma se obtenha a maioria dos elétrons no estado
excitado. Normalmente obtem-se esta excitação através de uma fonte de alimentação externa
que deve fornecer energia suficiente para que os elétrons possam saltar de nível, alterando seu
estado de fundamental para excitado. A fonte externa tem a característica de interfacear a
emissão de fótons para obter o estado de valencia desejado dos átomos situados no meio
ativo.
9
A segunda parte constituinte do laser são os espelhos, que tem a função de refletir os
fótons emitidos da cavidade ressonante, resultando no estímulo dos elétrons do meio ativo,
coerência e amplificação do feixe.
A Segunda característica é a intensidade do feixe luminoso, que diferentemente
das fontes de luz convencionais pode ter elevada intensidade. Sua potência pode atingir desde
microwatts a terawatts.
O terceiro ponto trata da direção do feixe. Como exposto anteriormente, os
espelhos que constituem a cavidade ótica refletem a luz emitida e apenas 10% emergem do
sistema. Esta porcentagem tem a mesma direção e sentido, com isso, há pouca dispersão do
feixe, situação que é de fundamental importância em determinadas aplicações.
Uma quarta característica é a coerencia do feixe, ou seja, a onda deve ter a mesma
fase, direção e sentido para que assim se tenha um feixe pontual e monocromático.
2.2.3 Tipos de Lasers
Há diferentes tipos de laser, que dependem quase que exclusivamente do composto
existente no meio ativo, o qual pode ser em sua maioria do tipo sólido, líquido ou gasoso.
Laser Gasoso: os lasers do tipo gasoso são excitados por uma descarga elétrica no
interior de um tubo adequadamente pressurizado (vácuo) que contenha o composto gasoso e a
cavidade ressonante afastada de uma distância que varia entre 5 cm até 5 m, como mostra a
figura 5. Entre os mais eficientes está exatamente o laser de CO2, operando na faixa do
infravermelho.
Figura 5: Esquema de um laser gasoso (Halliday, 1991).
10
Laser Semicondutor: o meio ativo composto de material semicondutor é excitado
pela corrente elétrica que flui através da junção p-n. Este tipo de estrutura apresenta uma
cavidade ressonante da ordem de 200 µm. Por ser de baixo custo e de volume reduzido, o
laser semicondutor é o mais popular, utilizado em leitores de CD e DVD. A figura 6
representa de forma simplificada o laser semicondutor.
Figura 6: Esquema de um laser semicondutor (Halliday, 1991).
Laser Sólido: os lasers de estado sólido são feitos de cristais e vidros isolantes.
Esses lasers são excitados por lampadas ou diodos. O laser de rubi, que foi o primeiro laser a
ser construído, deu lugar a lasers sólidos mais eficientes a base de neodímio, como o laser de
Nd:YAG (Yttrium Aluminum Garnet, granada de ítrio e alumínio).
A figura 7 mostra em detalhes o laser de rubi, onde observa-se que no momento em
que é aplicada uma determinada tensão entre os extremos do tubo de flash, ocorre a excitação
dos elétrons do meio ativo através de uma emissão fotônica.
Figura 7: Esquema de um laser de estado sólido gasoso (Halliday, 1991)
11
Laser de Corante: os lasers de corante utilizam líquidos circulantes que são
excitados por lampadas ou outros lasers. Um dos mais usados é o de Rh6G (Rodamina 6G),
um material altamente fluorescente.
A maior vantagem dos lasers de corante é que sua frequencia pode ser variada
continuamente, bastando utilizar-se de um elemento ótico (como uma rede de difração) de
modo a selecionar apenas a frequencia desejada. Esses lasers também são capazes de gerar
pulsos extremamente curtos.
A quadro 1 abaixo apresenta um comparativo entre os diferentes tipos de laser para
os diferentes tipos de meios ativos.
Quadro 1: Tipos de lasers mais usuais.
Meio ativo
Composto
Comprimento de Onda
Potência
Utilidade
HeNe
633 nm
1 mW
Cód. De Barras
Argônio
488 nm
10 W
Medicina
CO2
10,6 µm
200 W
Corte e Soldagem
GaAs
840 nm
5 mW
Cd Player
AlGaAs
760 nm
50 mW
Impressoras
Rubi
694 nm
100 MW
Holografia
Nd:Yag
1,06 µm
50 W
Semicondutores
Corante aromático
Sintonizável
100 mW
Espectroscopia
Gás
Semicondutor
Estado Sólido
Líquido
Fonte: Halliday, 1991.
2.3. O LASER DE CO2
2.3.1 Definição
Comercialmente chamado de laser CO2 (dióxido de carbono), este equipamento é
um laser baseado numa mistura gasosa submetida a vácuo determinado como o meio de
ganho. Apesar deste laser possuir a denominação de somente um gás, contém em sua mistura
além do próprio CO2, também Hélio e Nitrogênio, e possivelmente Hidrogênio, vapor de água
e/ou Xenônio. Tal laser é bombeado eletricamente através de uma descarga gasosa, a qual
pode ser operada com corrente contínua (DC), corrente alternada (AC) (ex: 20-50 kHz) ou no
domínio da rádio-freqüência (caso dos canhões de cavidade metálica).
12
Lasers de CO2 em sua maioria emitem no comprimento de onda de 10,6 µm, mas há
também outras linhas na região de 9 até 11 µm (particularmente a 9,6 µm), portanto localizase na faixa do espectro infravermelho. A interação desta radiação com a matéria é de
característica térmica.
Na maioria dos casos, as potências estão entre algumas dezenas de watts e muitos
quilowatts.
A maioria dos tipos de lasers de CO2 são:
- tubos selados ou também denominados lasers sem fluxo, para baixas potências;
- lasers de fluxo axial;
- lasers de fluxo rápido transversal (para potências de saída da ordem de muitos
quilowatts);
- Atmosfera excitada transversal (TEA) lasers com pressão de gás alta (próximo da
atmosférica) e uma série de eletrodos e entradas de gás ao longo do tubo (para modo pulsado
somente, adequado para potências de multi-quilowatts);
- Lasers de alta potência SLAB, com o gás num “gap” entre um par de eletrodos de
radiofreqüência planares refrigerados a água (não deve ser confundido com lasers de estado
sólido);
- Laser CO2 de gás dinâmico (ex, para armamentos antimísseis), no qual a energia
não é provida pela descarga gasosa, mas sim pela reação química num tipo de motor de
foguete.
Os conceitos diferem principalmente na técnica de extração de calor, mas também
na pressão de gás utilizada e na geometria dos eletrodos. Em tubos laser selados de baixa
potência (ex: para marcação a laser), a perda de calor é transportada pelas paredes do tubo por
difusão, por um fluxo lento de gás e também por refrigeração a água. A qualidade do feixe
pode ser muito alta. Lasers CO2 de alta potência utilizam de convecção de gás forçada, a qual
pode ser na direção axial (ao longo do feixe) ou na direção transversal (para maiores
potências).
O laser CO2 distingue-se por ser parte indispensável da produção industrial. Em
comparação com todos os outros lasers, o de CO2 distingue-se por sua alta eficiência e alta
potência de saída. São tão altas que a potência de saída na maioria das vezes são limitadas
pelos limites de destrutibilidade dos componentes ressonadores óticos. A presente tecnologia
permite potências de saída de até 20 kW. Contudo, são os lasers CO2 de potência até 500
watts que atingiram uso de maior frequência, e mais precisamente os laser CO2 de vidro
13
selados são o foco principal deste trabalho. Um exemplo do mesmo está mostrado na figura 8
a seguir.
Figura 8: Laser CO2 de vidro selado. (parallax-tech.com, 2007).
2.3.2 Propriedades
O gás presente no interior da cavidade, como mencionado anteriormente, é uma
mistura gasosa na qual a molécula responsável pela emissão Laser é o CO2, contudo trata-se
na verdade uma mistura de gases sob vácuo que possuem determinadas funções no processo,
normalmente dentro do tubo a base gasosa apresenta os seguintes compostos e pode
apresentar variação dependendo da utilização [Patel]:
- Gás de CO2 (Dióxido de carbono) em torno de 10 – 20%;
- Gás N2 (Nitrogenio) com uma porcentagem de 10 – 30%;
- Gás He (Hélio) com o restante da porcentagem do gás;
- Vapor d’água em quantidades variáveis, porém muito baixas.
A mistura de outros gases ao meio ativo eleva a eficiência do laser, auxiliando na
pressão de confinamento e na troca de calor.
Conforme mecionado o laser de dióxido de carbono opera no infravermelho sendo
desta forma necessário implementar materiais especiais para confecção do aparelho.
A figura 9 a seguir apresenta os elementos que compõem o tubo do laser de CO2.
14
Figura 9: elementos básicos que compõem um tubo laser. (Luhs, 2003, p. 14).
A presença dos eletrodos (anodo e catodo) no tubo garante, através de uma fonte de
alimentação, a excitação dos elétrons, os quais geram com a emssão estimulada e espontânea
os fótons que por sua vez são amplificados pela ação de reflexão dos espelhos M1 e M2.
Os espelhos que compõem o tubo de descarga de CO2 são compostos projetados e
fabricados especialmente para refletir o espectro do infravermelho, em especial para valores
ao redor de 10,6 µm. Em geral os espelhos possuem a forma plana ou curvada, e os
componentes utilizados no processo de fabricação podem ser:
- Ouro (Au);
- Cobre (Cu);
- Alumínio (Al);
- Molibdênio (Mo);
- Compostos a base de silício (Si).
Os materiais utilizados para a refração da luz, ou seja, para permitir a saída de parte
da radiação gerada (no contexto apresentado anteriormente, 10% da energia gerada) são
compostos em grande parte pelos seguintes materiais:
- Seleneto de Zinco (ZnSe);
- Germânio (Ge);
- Arseneto de Gálio (GaAs);
- Sulfeto de Zinco (ZnS).
15
O refrigerante utilizado para manter as condições ideais para o funcionamento do
laser de CO2 geralmente é a água, sendo esta de fundamental importância para manter a
temperatura nas condições ideais de uso, ou seja, com a potência determinada e a qualidade
requerida do feixe.
Outro ponto a ser observado é a existência de vácuo e um permutador de calor, de
modo a permitir que a mistura gasosa tenha as condições ideais de pressão e temperatura,
respectivamente.
Basicamente, para os lasers de CO2 selados, questões como limpeza da cavidade
ressonante, proporções da mistura gasosa, seu volume, valor de pressão (vácuo) e a maneira
de selagem são cruciais para as características de durabilidade e manutenção da potência
emitida e também da vida útil do sistema por degradação gasosa e desgaste dos eletrodos por
sputtering.
2.3.3 A molécula de CO2
A molécula de CO2 é composta por dois átomos de oxigênio e um de carbono
dispostos em uma estrutura linear simétrica ou “alongada”, que pode vibrar em três diferentes
modos normais (figuras 10, 11 e 12), além de efetuar rotações sobre os três eixos espaciais,
figura 13. Cada modo normal de vibração é associado pelos números quânticos n1n2n3.
Na figura 14 estão demonstrados alguns dos níveis de energia vibracionais da
molécula de CO2 do estado eletrônico fundamental calculados, desprezando-se qualquer
perturbação sobre o estado vibracional devido à rotação da molécula de CO2.
Para excitar-se a molécula de CO2, ou seja, obter-se inversão de população no meio
ativo, é necessário excitá-la convenientemente, fazendo-se por colisões com os elétrons da
descarga promovida pela fonte de alimentação e por colisões ressonantes com a molécula de
N2 excitada vibracionalmente. A influência dos gases N2 e do He na excitação e relaxação da
molécula de CO2 serão analisadas posteriormente.
Nos lasers de CO2 a descarga elétrica promovida pela fonte de alimentação acarreta
o impacto eletrônico direto de elétrons com moléculas podendo-se dar de duas formas:
colisões elásticas e inelásticas. Em uma colisão inelástica, a molécula absorve energia dos
elétrons, sendo excitada para estados mais altos de energia ou até mesmo ser ionizado. Nas
colisões elásticas só há transferência de momento (N.m).
16
Figura 10: Estrutura da molécula de CO2 linear apresentando modo de vibração simétrico (Luhs, 2003,
p. 10).
Figura 11: Modo de flexão da molécula de CO2. (Luhs, 2003, p. 10).
Figura 12: Modo de vibração assimétrico da molécula de CO2. (Luhs, 2003, p. 10).
Para cada vibração fundamental existem rotações moleculares as quais são
caracterizadas por um número quântico J.
17
Figura 13: Esquema de rotação da molécula de CO2. (Luhs, 2003, p. 10).
Figura 14: Transições do CO2 e N2. (Luhs, 2003, p. 12).
2.3.4 Condição para obtenção LASER na Molécula de CO2
Será abordada neste item a consideração físico-matemática para se conseguir a
excitação no meio ativo laser (CO2). Para isto inicia-se demonstrando esquematicamente num
meio ativo a presença simplificada de somente 2 estados ou níveis de energia.
Ambos os níveis, 1 e 2, possuem energias E1 e E2 respectivamente, e n1 e n2 suas
respectivas populações. O nível 1 será considerado como o nível inferior e o nível 2 o de
maior energia.
Se uma onda eletromagnética com freqüência igual à freqüência de transição entre
esses 2 níveis
= (E2 – E1)/h e intensidade correspondente ao fluxo de fótons F (fótons/cm2
s) atravessa o material ao longo da direção z, figura 15, provocará uma variação do fluxo de
fótons dF devido aos processos de emissão estimulada e absorção na região com dimensão dz
que pode ser descrito por:
18
dF = F (n2 – n1)dz
Onde
(Eq. 2)
é a seção de choque de transição medido em cm2.
A equação acima mostra que se n2 > n1 (dF/dz>0) o fluxo de fótons aumenta ao
percorrer a distância dz. Neste caso, o sistema comporta-se como um amplificador do número
de fótons, e portanto, podemos definir o ganho óptico do sistema como:
g = (n2 – n1)
(Eq. 3)
Do mesmo modo, se n2 < n1 (dF/dz<0) o fluxo diminui ao atravessar a espessura
dz, e o material comporta-se como um absorvedor. Neste caso, podemos definir em analogia a
situação anterior, um coeficiente também positivo, sendo agora de absorção:
= (n1 – n1)
(Eq. 4)
Um outro parâmetro importante em sistemas lasers, é o ganho por passo no material
ativo, ou seja, integrando-se a equação 2 anteriormente apresentada, obtemos para os casos de
amplificação e de absorção respectivamente:
F = F0egl
F = F0e-
(Eq. 5)
l
Onde l é o comprimento total do meio ativo e F0 o fluxo inicial.
Figura 15: Mudança do fluxo de fótons no material. (Svelto, 1982. p. 5).
(Eq. 6)
19
2.3.5 ADIÇÃO DE N2 E He
Moléculas de nitrogênio são excitadas pela descarga até um nível vibracional
metaestável e transferem sua energia de excitação às moléculas de CO2 quando colidindo
umas com as outras. A função do Hélio serve para depopular o nível laser inferior e também
remover calor. Outros constituintes tais como hidrogênio ou vapor d’água podem ajudar
(particularmente em tubos laser selados) a reoxidar o monóxido de carbono gerado (formado
pela descarga) em dióxido de carbono.
Patel et. al. em suas observações percebeu que havia uma maneira encontrada para
aumentar a eficiência do laser de CO2 adicionando nitrogênio e hélio no meio ativo. Foi
observada a coincidência entre o nível vibracional do N2 (v=1) com o nível superior do laser
de CO2 (0001), sendo a diferença de freqüência de apenas 18 cm-1, conforme indicado na
figura 14 anteriormente.
Como o N2 é facilmente excitável por uma descarga elétrica (impacto de elétrons) e
o seu nível vibracional v=1 é metaestável, portanto com tempo de vida longo, há uma grande
produção de N2 (v=1) na descarga. Estas moléculas, ao colidir com as moléculas do CO2
transferem sua energia excitando preferencialmente o nível superior da transição laser.
Portanto, realizando-se tal observação, nota-se que praticamente toda a energia dos
elétrons é transferida para a excitação vibracional das moléculas de N2 e CO2, sendo a
excitação eletrônica ou ionização, tanto do N2 como do CO2, desprezível frente à excitação
vibracional.
Para as condições típicas da descarga elétrica do laser de CO2 aproximadamente
42% da potencia total dos elétrons são para a excitação dos 8 primeiros níveis vibracionais do
N2. A partir disso, o N2 transfere 70% de sua energia para o nível superior laser através de
colisões ressonantes de segundo tipo, isto é, colisões com transferência de energia vibracional
entre moléculas. Combinando os 42% de transferência de potência com os 41% de eficiência
quântica da transição laser, indica que um máximo de 17% da potência elétrica acoplada para
o N2 e CO2 pode ser convertida em potência óptica.
A adição de He na descarga CO2 – N2 reduz a temperatura eletrônica média
resultando em uma maior eficiência de excitação vibracional do N2 e do CO2 por colisões
ressonantes inelásticas. Esses processos ressonantes tem, como vimos anteriormente, seção de
choque máxima para baixas energias eletrônicas. Além desse efeito, a adição crescente de He
na mistura CO2 – N2 em um laser de CO2 de onda contínua cresce a potência de saída na
transição vibracional 0001
1000 por um fator de aproximadamente 5 vezes, figura 16.
20
Figura 16: Efeito da adição de He na descarga CO2 – N2 sobre a potência de saída de um laser de CO2
(Willet, 1974).
Outra vantagem na adição de He é devido a sua capacidade térmica ser
aproximadamente 5 vezes maior do que a do N2 e do CO2, desta forma o He conduz
rapidamente o calor para as paredes do tubo resfriando a descarga em cerca de 400 K a 6 torr,
figura 17. De fato, com a adição do He haverá um aumento na relaxação colisional dos níveis
1000 e 0111 do CO2, o qual tem grande probabilidade de serem excitados termicamente.
Figura 17: Efeito da adição de He sobre a temperatura do gás numa descarga CO2 – N2. (Willet, 1974).
21
3 MATERIAIS E MÉTODOS
Para que os objetivos propostos sejam alcançados, os resultados da etapa
experimental deste trabalho devem satisfazê-los. Assim:
O primeiro objetivo específico, medir a potência de saída previamente à abertura
dos canhões nos locais pré-determinados, assim como medir a pressão interna da cavidade
Laser e soldar uma extensão de vidro para facilitar o manuseio durante a recarga;
O segundo objetivo específico, que se trata de projetar o sistema de alimentação
apropriado para limpeza da cavidade laser, evacuação e em seguida inserção da nova mistura
de gás;
O terceiro objetivo específico, que será a selagem do tubo mantendo o vácuo;
O quarto e quinto objetivos específicos, Obter as novas medidas de controle de
potência e discutir os resultados obtidos e dificuldades no processo.
Nos itens a seguir serão apresentadas as condições para atingir os tópicos
apresentados acima.
3.1 MATERIAIS
3.1.1 Laser CO2 de vidro selado e caracterização do equipamento
Neste trabalho foram escolhidos dois canhões laser CO2 de vidro selados de
fornecedores distintos, adquiridos pela empresa Automatisa Sistemas Ltda., sendo um
denominado pela letra A, e outro pela letra B. O primeiro emite nominalmente a potência de
100 watts enquanto que o segundo, 65 watts. Ambos tiveram sua selagem rompida e foram
montados na primeira bancada experimental de recarga. Como justificativa para a escolha
destes canhões, tratam-se de dois modelos atualmente comercializados nas máquinas de corte
da empresa. Ambos possuem características distintas que serão apresentadas na seqüência.
22
Figura 18: canhões laser em estudo no trabalho, foto superior canhão A , foto inferior canhão B.
Neste trabalho faz-se necessário que sejam feitas definições para o desenvolvimento
do experimento. Na figura 18 são mostrados os dois canhões lasers que foram fornecidos pela
Automatisa para a realização deste estudo. Realizando-se um corte transversal em ambos os
equipamentos, verifica-se que os tubos são formados por três tubos concêntricos de vidro,
como diagramado na figura 19. Sendo:
Região de Descarga: tubo mais interno onde ocorre a descarga elétrica para excitar
o meio ativo do laser, neste caso uma mistura a base de gás CO2. A região confinada por este
tubo é denominada região de descarga, e o tubo de tubo de descarga.
Região de Refrigeração: é a região entre o tubo de descarga e o segundo tubo onde
circula a água que tem por finalidade manter equilibrada a temperatura do laser. Esta região é
denominada como região de refrigeração e o segundo tubo que a confina é chamado de
camisa d’agua.
“Buffer”: O terceiro e último tubo mais externo tem por função armazenar a
mistura gasosa que forma o meio ativo do gás. Este tubo será chamado de tubo externo e a
região entre ele e a camisa d’agua será chamada de “buffer”.
Figura 19: Seção transversal genérica de um tubo laser de vidro selado representando o modelo dos
canhões em estudo.
23
Espelho total: espelho totalmente refletor, também chamado de espelho total, as
figuras a seguir apresentam os espelhos totais de ambos os canhões, os mesmos localizam-se a
direita de cada foto na figura 20 para cada canhão estudado. Note-se a diferença entre ambos,
sendo que o canhão A apresenta um material refletor sólido à base de Silício (Si), enquanto o
B é uma película de Ouro (Au) depositada sobre uma superfície de vidro. Sua má aparência
não é devido ao uso e sim análises realizadas após a remoção.
Espelho de acoplamento ou espelho de saída (Output Coupler): localizado a
esquerda de cada foto, trata-se de um espelho parcialmente refletor, capaz de transmitir parte
da energia incidida e também refletir para a cavidade laser a outra porção da energia, percebese no canhão laser A um material transparente e “amarelado”, um vidro de Seleneto de Zinco
(ZnSe), com refletância de 30% da energia incidida e transmitância cerca de 70%. Por outro
lado o canhão laser B possui em sua “janela de saída” um espelho de Germânio, com
transmitância da ordem de 45% e refletância de 55%, ressaltando-se que estes valores são
referência para o comprimento de onda de 10,6 µm num material sólido com 10 mm de
espessura conforme apresentados nos gráficos da figura 21, portanto pode-se afirmar
existência de mudança nestes valores para os espelhos utilizados.
Componentes óticos
Canhão laser A
Canhão laser B
Figura 20: Espelhos refletores dos canhões em estudo
24
Figura 21: Espectro de transmissão para os materiais dos espelhos de saída dos canhões laser
estudados. (SintecOptronics.com, 2006)
Lado do Catodo: lado do tubo de laser que contém o catodo (eletrodo maior, de
forma tubular e refrigerado, conforme figura 22) será chamado de lado do catodo. Também
corresponde ao lado onde é fixado o espelho total.
Eletrodos
Catodo do laser A
Catodo do laser B
25
Figura 22: Catodos dos lasers em estudo.
Lado do anodo: lado do tubo de laser que contém o anodo, no caso do canhão A
na forma de um pino, que na figura 23 apresenta-se incandescente pelo plasma gerado, o
mesmo não possui refrigeração, já o B também de forma tubular e refrigerado. Corresponde
ao lado onde é fixado a janela de saída (Output coupler).
Eletrodos
Anodo do laser A
Anodo do laser B
Figura 23: Anodos dos lasers em estudo.
3.2 MÉTODOS
Para realizar as recargas em canhões laser CO2 de vidro selado, certas etapas prévias
são fundamentais que sejam descritas e propostas para se atingir os objetivos. Por isto neste
item serão apresentadas atividades que possibilitam delinear o trabalho de recarga e concluirse o objetivo final de restabelecer a potência original em ambos os canhões. Como ainda são
desconhecidos alguns passos necessários para o processo, serão apresentados inclusive os
criados para possibilitar o desenvolvimento deste projeto.
26
3.2.1 Abertura dos canhões
O processo denominado como abertura dos canhões será apresentado a seguir
através da realização de quatro atividades, sendo a medição da potência anterior à abertura, a
demonstração de quebra da selagem abrindo-se a cavidade rompendo o vácuo interno e o
conjunto de medições de pressão interna (vácuo) e captação da mistura gasosa para análise
qualitativa e quantitativa.
3.2.1.1 Medição da potência
A medição da potência foi realizada através de medidor contínuo da marca Ophir,
modelo FL250A – SH – V1, este modelo apresenta-se na figura 24.
Figura 24: medidor contínuo de potência utilizado para captação dos dados.
Este medidor tem a vantagem como o nome já informa de permitir a medição
contínua da potência, ou seja, torna possível a detecção das oscilações de potência do laser
durante intervalos de tempo. Tal equipamento é interessante devido as variáveis que
influenciam na potência do laser poder ser mais facilmente identificáveis e corrigidas.
3.2.1.2 Quebra da selagem
27
Através da utilização de uma lima diamantada a região de alimentação e recarga do
gás foi sensibilizada (figura 25). Muito comumente chamada de “mamica” esta região
apresenta-se como a mais crítica no desenvolvimento deste processo.
Pontas de Selagem dos canhões laser
Canhão A
Canhão B
Figura 25: demonstração da região de alimentação de gás ou “mamica” a ser fragilizada para posterior
recarga.
3.2.1.3 Medição da pressão
A pressão interna foi medida através de um medidor de vácuo do tipo capacitivo,
sendo o seu conjunto sensor e display apresentados a seguir.
28
Conjunto para medição da pressão
Display
Medidor de vácuo do tipo capacitivo
Figura 26: Conjunto para medição da pressão interna nos tubos laser.
Para realização deste ensaio foi necessário efetuar uma adaptação na qual após a
operação de fragilizar a ponta de vidro com a lima, a mesma foi acoplada a uma mangueira de
silicone ajustada para não haver vazamentos, a ponta de vidro (ou “mamica”) fragilizada foi
então quebrada com as mãos sobre a mangueira ligada ao sistema de medição de vácuo que
estava acionado junto à tubulação que conecta a mangueira de silicone e o laser, então se
captou os valores de pressão de vácuo dentro das ampolas de vidro.
A figura 27 abaixo mostra o exemplo explicativo da mangueira de silicone
revestindo a ponta de vidro dos lasers que serviram como mecanismo para quebrar o vácuo
sem perdê-lo para o ambiente e permitindo as medições.
A
B
Figura 27: ajuste com tubo de silicone para medição da pressão.
29
3.2.1.4 Captação de mistura gasosa para análise
Faz-se necessário neste trabalho também captar a mistura gasosa em paralelo com a
medida da pressão interna. Utilizando-se do mesmo mecanismo que foi feito para medir a
pressão, acoplou-se um septo para tomada de gás e armazenamento de uma amostra para
qualificação e quantificação dos componentes presentes na mistura através de cromatografia
gasosa.
Após a captação a amostra gasosa foi levada para análise qualitativa e quantitativa
em cromatógrafo. O modelo utilizado foi o HP5972MSD pertencente ao Instituto de Estudos
Avançandos (IEAv), cuja foto apresenta-se na figura a seguir.
Figura 28: Cromatógrafo para caracterização do gás laser presente nos canhões.
3.2.2 Preparação para recarga
3.2.2.1 União de extensão de vidro
Depois de quebrada a “mamica”, medida a pressão interna e coletada amostra do gás
presente para análise, faz-se necessário extender a mamica para nova selagem, isto se deve ao
fato de que a mesma é muito curta para poder ser instalada num sistema de recarga e as
vibrações inerentes a bomba de vácuo, podem comprometer a integridade física do canhão
laser comprometendo-o.
Uma ponta de vidro muito pequena significa bastante perigo para o tubo laser,
também no que diz respeito as tensões que serão deixadas pelo calor da solda a ser realizada
no vidro para facilitar o manuseio durante a recarga.
As figuras abaixo mostram os segmentos de vidro que serão acoplados a região de
recarga para adaptação ao sistema de limpeza e recarga.
30
Canhão A
Canhão B
Figura 29: extensões de vidro para acoplar o laser ao sistema de recarga.
3.2.2.2 Equipamentos para montagem experimental da bancada
Neste momento deve-se fazer uma breve revisão dos métodos propostos para se
poder prosseguir e atingir a recarga dos lasers CO2 de vidro selados.
Demonstrou-se até então que é necessário para a recuperação de um canhão laser,
saber a potência inicial que o mesmo está emitindo, ou seja, se ele ainda emite laser ou qual a
discrepância de potência em relação as suas características iniciais e também em função do
tempo de uso.
Também é de suma importância realizar um trabalho minucioso sobre a região de
recarga (comumente denominada “mamica”) ao fragilizá-la também para saber-se sob qual
valor de pressão interna está o gás laser. Por isto propôs-se o modelo de primeiramente
fragilizar a região de recarga, e em seguida revesti-lo por uma mangueira de silicone acoplada
ao medidor de pressão e ao septo para tomada de amostra, sendo assim é permitido que o
sistema mantenha-se fechado com o ambiente externo e possibilitando o trabalho. Assim que
as medidas são realizadas o sistema é aberto tem-se a próxima etapa do processo que é a de
união da extensão de vidro para recarga. Este processo como será apresentando no tópico
resultados não é simples e afeta o tubo laser, tanto no sentido de aplicar tensões adicionais ao
vidro fragilizando-o e por conseqüência aumentando suas chances de trincar, como também
sujar a cavidade laser, pois o calor da chama de soldagem também traz detritos para dentro da
cavidade, que precisará de limpeza prévia ao enchimento com nova mistura de gás.
Para este tópico é conveniente demonstrar um esboço geral do método desenvolvido
para recarga do laser de vidro apresentando o conjunto experimental montado.
31
Antes da apresentação deste modelo são apresentados os outros equipamentos
utilizados para o método e que são de suma importância para o trabalho tanto experimental
quanto comercialmente.
Na figura 30 a seguir apresenta-se a bomba de vácuo do tipo turbomolecular, ela é
um dispositivo com duas bombas em conjunto, sendo uma de arraste (drag) e outra a
turbomolecular propriamente dita, este é modelo PFEIFFER TCP 015 pertencente ao IEAv,
com capacidade de atingir pressões de vácuo da ordem de até 10-5 torr.
Figura 30: bomba de vácuo utilizada no trabalho.
Conforme mencionado nos parágrafos anteriores, a soldagem de uma extensão de
vidro a “mamica” traz contaminações para a cavidade laser, para isto propõe-se neste trabalho
que antes do enchimento da cavidade com a mistura quantificada, se utilize um gás de arraste
circulante para limpeza da cavidade, na figura 31 está o tubo de gás Hélio (He) que foi
utilizando como agente de limpeza. Por fim, a figura 32 mostra o reservatório da mistura
quantificada utilizado para alimentar os canhões durante a recarga.
32
Figura 31: tubo de Hélio para limpeza da cavidade laser.
Figura 32: tubo reservatório de mistura para laser
Todos estes instrumentos e materiais demonstrados nos itens anteriores foram
montados numa bancada experimental de recarga cuja figura 33 apresenta com maiores
detalhes.
A partir da montagem do dispositivo serão captados os dados para atingir o objetivo
geral de recarregar os canhões laser CO2 de vidro selados.
Canhão A
Canhão B
33
Figura 33: Montagem experimental da bancada de recarga dos lasers CO2 de vidro selado
34
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
De acordo com o item 3.2 em Métodos, serão apresentados a seguir os resultados das
medições e processos propostos para o desenvolvimento da recarga dos canhões laser CO2.
4.1 POTÊNCIA, PRESSÃO E CARACTERIZAÇÃO DOS GASES
4.1.1. Potência anterior a Abertura dos canhões
O canhão A apresentava potência inferior àquela fornecida pelo fabricante do
equipamento. Diferentemente o canhão B utilizado para este trabalho era novo e emitia sua
potência nominal.
Na quadro 2 abaixo se apresentam as medidas tomadas da potência anterior a
abertura. Foram tomadas um total de 10 medidas de potência.
Quadro 2: Valores de potência medidos nos canhões anterior ao experimento de recarga dos canhões
laser A e B.
35
Potência em Watts (W) antes da recarga
Medida
Canhão Laser
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
A
78,1
82,9
80,5
76,1
76,8
77,2
81,9
79,7
83,9
83,6
B
68,5
65,4
65,8
64,6
61,6
66,2
61,8
60,6
65,9
67,7
Média
Desvio Padrão
80,07
2,93
64,81
2,66
Como se pode perceber a potência do laser A estava 20% abaixo do nominal de 100
watts fornecido enquanto o canhão laser B apresentava estabilidade adequada.
4.1.2. Medidas da pressão interna
Na quadro 3 abaixo são apresentadas as medidas captadas pelo medidor de vácuo
capacitivo acoplado ao sistema de alimentação de gases.
Quadro 3: medidas das pressões nos canhões.
Pressão interna (torr)
Medida
4.1.3. Caracterização dos gases
4.1.3.1 Medição qualitativa
A
30
B
25
36
Deve-se informar neste ponto do estudo que devido as restrições em termos de
tempo e calibração do equipamento somente a mistura gasosa do canhão A foi captada e
analisada. A mesma foi submetida a análise qualitativa e quantitativa através de cromatografia
gasosa cujo resultado demonstrado no gráfico da figura 34 demonstrado a seguir.
Figura 34: Espectro qualitativo da mistura gasosa do laser A.
A análise foi feita num cromatógrafo que tem como sensor de partículas um
espectrômetro de massa do tipo quadrupolo elétrico. A amostra foi injetada no cromatógrafo
através de uma seringa. Verifica-se que há a presença inequívoca de CO2, N2, Ar e Xe. Na
massa 28, provavelmente também há a contribuição de CO. Não aparece no espectro, por
estar fora da resolução do equipamento, o He e o H2.
A presença de H2O no espectro pode ser atribuída à contaminação do tubo ou do
sistema de vácuo. A própria presença de O2 no espectro indica a adição de H2O na mistura
gasosa. No entanto é mais plausível que a mistura inicial seja composta de:
- CO2
- N2
- He
- Ar
- Xe.
4.1.3.2 Medição quantitativa
A medição quantitativa apresentou as seguintes proporções de cada componente:
Quadro 4: resultado da medição quantitativa em cromatógrafo.
37
CO2
19,0%
N2
23,0%
Xe
0,5%
Ar
0,3%
He
57,20%
Conforme apresentado na revisão bibliográfica, esta mistura segue em essência o
padrão básico das misturas gasosas para emissão no comprimento de onda de 10,6 µm.
Contudo há a presença dos elementos Xenônio e Argônio, que podem estar presentes como
catalisadores para redução da taxa de degradação química sofrida pelo CO2. Tal degradação é
responsável pela perda gradativa da potência do laser. Isto também justifica o fato de os
canhões laser CO2 de vidro selados possuírem um tempo de vida médio o qual é estimado em
horas, tal conceito é advindo do fato que depois de degradado todo o CO2 existente na
cavidade o laser não possui mais capacidade de ionizar-se para emitir no seu comprimento de
onda específico.
Com base no resultado quantitativo desta mistura padrão do canhão laser A
preparou-se nova mistura com estes componentes para teste de recarga e novo acionamento
do laser.
Não foi possível captar as proporções de água, uma vez que o cromatógrafo toma a
mesma como impurezas da tubulação do sistema, inviabilizando sua medida quantitativa. No
entanto, é altamente provável a presença de vapor d’agua no interior do canhão laser atuando
como catalisador.
4.2 UNIÃO DA EXTENSÃO DE RECARGA
Utilizando-se de um aparelho comumente conhecido como maçarico de oxi-butano,
capaz de atingir temperaturas da ordem de 2900 ºC, fez-se a soldagem da extensão no tubo,
conforme mostrado na figura 35.
Canhão A
38
Figura 35: união da extensão de vidro para recarga
O resultado desta atividade pode presencia-se através da figura 36 para ambos os
canhões, esta extensão permitirá que os canhões sejam mais facilmente manuseáveis ao serem
acoplados a bancada de recarga e também facilitará no momento de selá-lo sob vácuo,
oferecendo uma região maior de trabalho ao operador que concluirá o processo de recarga.
Canhão A
Canhão B
39
Figura 36: resultado do procedimento de soldagem com oxi-butano
4.3 LIMPEZA DA CAVIDADE, POTÊNCIA OBTIDA E SELAGEM
Figura 37: exemplo de acoplamento do laser A à tubulação de recarga gasosa.
Uma vez os lasers acoplados ao sistema, conforme exemplo a seguir, fez-se a
limpeza da cavidade por 4 horas evacuando-se até a pressão de 10-2 torr utilizando-se da
bomba turbomolecular apresentada na figura 30. O gás He foi utilizado como gás de limpeza,
o mesmo mostrado na figura 31.
Ao final da etapa de limpeza da cavidade, os canhões laser foram então evacuados
pela última vez até atingir novamente o valor de pressão interna de 10-2 torr e através de
válvulas adequadamente montadas na linha da tubulação de recarga, a mistura quantificada
demonstrada na tabela 4 foi injetada para dentro dos canhões utilizando como ferramenta para
melhor passagem do gás uma válvula do tipo agulha. Em cada um dos canhões a mistura foi
injetada até que fosse atingida a mesma pressão medida no item 4.1.2, sendo 30 torr para o
canhão A, e 25 para o canhão laser B.
40
Após os canhões laser terem sido preenchidos com mistura a base de CO2
quantificada, os mesmos foram acionados para verificação da restauração da potência
nominal.
Tomando-se como base um período de 4 horas, ambos os canhões foram mantidos
acionados apontando para o medidor contínuo de potência para captação dos valores emitidos.
Como exemplo explicativo, na figura 39 o feixe laser do canhão A está apontado para um
tijolo com o sensor do medidor de potência logo atrás do mesmo, removendo-se este tijolo o
feixe laser incidirá diretamente sobre o medidor permitindo as medições.
Para se obter um resultado prévio da potência emitida pela recarga manteve-se
ambos os canhões acionados a 100% da capacidade da fonte de alta tensão de cada um. Deste
modo solicitando a cavidade laser a emitir o seu máximo de energia (potência). O resultado
pode ser analisado no gráfico da figura 38 que mostra que tanto para o laser A, quanto para o
laser B suas potências foram restauradas, cabendo enfatizar que no caso do canhão A a
potência resultante após a inserção da nova mistura foi maior do que antes do processo de
recarga, alterando sua potência da ordem de 80 watts (tabela 2) para valores em torno de 90
watts.
Também é interessante ressaltar que a mistura quantificada para o canhão laser A
também se tornou válida para o funcionamento do canhão laser B, alcançando valores de
potências entre 60 e 70 Watts conforme apresentado no gráfico, ou seja, suficientemente
próximos dos valores originais.
Gráfico da Potência em Função do Tempo (Evolução durante 4 horas)
110
Potência (Watts)
100
90
80
70
60
50
1
60
120
180
240
Tempo (minutos)
Las er norte-am ericano
Las er chinês
Figura 38: Evolução da potência dos canhões laser durante um período de 4 horas.
Depois de realizadas as medidas de potência durante 4 horas para cada canhão laser,
os mesmos foram selados e estão aptos a iniciar o teste real de durabilidade, fruto para novos
estudos.
41
Exemplo do feixe laser e do plasma obtidos – canhão A
Figura 39: Resultado da recarga do canhão laser A, plasma gerado na cavidade e apontado como alvo
um tijolo.
42
5 CONCLUSÕES
Dois canhões laser CO2 de vidro selados de fornecedores distintos foram escolhidos
para o estudo da viabilidade de recarga gasosa com recursos disponíveis no Brasil.
Os resultados mostraram que há a possibilidade da realização desta atividade
cabendo ainda maior estudo acima da propriedade do gás.
A análise via cromatografia gasosa dos gases originais presentes nos canhões
permitiu que fosse produzida uma mistura que pôde recuperar a potência original emitida,
sendo em alguns casos capaz de superar os valores inicias. Maiores estudos serão necessários
para uma etapa que pode ser denominada “pós-selagem”, para fornecer ao contratante da
recarga uma garantia em termos de vida útil para os lasers em horas de trabalho possíveis de
serem realizadas. Salientando-se que o intuito deste trabalho é o de somente verificar a
possibilidade de atingir a potência original.
Durante o estudo algumas etapas de manuseio apresentaram-se com elevada
dificuldade, a iniciar pelo trabalho da união de extensão da “mamica” que foi fragilizada
demasiadamente acumulando tensões. Principalmente no caso do canhão do fornecedor B, o
mesmo trincou várias vezes durante o estudo devido a sua espessura de parede ser de
dimensões reduzidas, muito inferiores as dimensões de parede do fornecedor do laser A.
Um projeto conciso de estruturação da bancada de recarga deve ser feita, pois as
vibrações inerentes a bomba de vácuo e o fluxo dos gases demonstram-se como os fatores
mais críticos para a integridade dos vidros. Por esta razão o anexo A irá propor uma estação
de recarga possível de ser montada industrialmente e com procedimentos a serem seguidos.
O fato de haver possibilidade de redução nos custos do processo é de elevado
interesse comercial e favorece a produção nacional evitando trabalhos burocráticos de
exportação e reimportação.
43
REFERÊNCIAS
ALVES, Maria Bernardete Martins; ARRUDA, Susana Margareth. Como fazer referências:
(bibliográficas,
eletrônicas
e
demais
formas
de
documentos).
Disponível
em:
<http://www.bu.ufsc.br/home982.PDF>. Acesso em: 17 abr. 2006.
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5a.edição, Rio de Janeiro, RJ, 2002.
CINELLI, M. J. Desenvolvimento e construção de um laser de CO2 (Dissertação de
mestrado). UFSC. 1992. 83p.
HALLIDAY, David, RESNICK, Robert & WALKER, Jearl. Física 4 – Óptica moderna 4a.
Edição – LTC Livros Técnicos Científicos – Rio de Janeiro, 1991.
LUCALM
(BRASIL).
Newsletter:
Aplicações
dos
Lasers.
Disponível
em:
<http://www.lucalm.hpg.ig.com.br/mat_esp/lasers/lasers.htm >. Acesso em: 10 Mar 2007.
LUHS, W. CO2 laser workstation, laser maintenance & troubleshooting. 3ª ed. MEOS
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NORMAS ABNT NBR 6023, Informação e documentação – Referências - Elaboração.
Ago 2002. 24 p.
PARALLAX TECHNOLOGY. Disponível em: <http://www.parallax-tech.com>. Acesso em:
12 Fev 2007.
PATEL, C. K. “Continuous-Wave Laser Action on Vibrational Rotational Transitions of
CO2”, Physical Review, New Jersey, vol. 136, nº 5°, p. 1187-1194 Nov. 1964.
SINTEC OPTRONICS. <http://www.sintecoptronics.com/catalog/co2lens.pdf>. Acesso em:
14 Dez 2006
44
SVELTO, O., Principles of Lasers, Plenum Press, 2nd Ed. New York, 1982
WILLET, C. S., Introduction to gas Lasers: Population inversion mechanisms. Pergamon
Press – New York, 1974.
45
ANEXO A
ANTEPROJETO
DE
UMA
ESTAÇÃO
PARA
RECARGA
E
ALINHAMENTO DE CANHÕES LASER
ESTAÇÃO PARA TROCA DE GASES
Figura 40: esquema de montagem da tubulação e válvulas para limpeza e recarga do tubo laser.
Na figura 40 é mostrado um diagrama da estação de troca de gases. A estação de
troca de gases e a bancada de alinhamento podem ser integradas numa mesma bancada de
trabalho. Os mesmos suportes utilizados para o alinhamento da cavidade óptica podem servir
de suporte do tubo para a troca de gases.
A seguir é feita uma descrição proposta para o procedimento de troca da mistura
gasosa do tubo laser. Esta descrição foi elaborada baseando-se nas atividades realizadas
durante o experimento, verificou-se que elas podem ser delineadas em 13 etapas, com
mudanças sendo feitas conforme a necessidade. Descreve-se então o processo como:
1 – Fragilizar um anel em torno da “mamica” para reduzir sua espessura de modo
que não quebre o vácuo, a fim de facilitar a quebra nos passos seguintes (Figura 25).
46
2 – Tomar um tubo de silicone conectado ao sistema de vácuo e envolver a
“mamica” com este tubo, de modo que comprima a “mamica” depois do anel fragilizado
(Figura 27).
3 – Fazer vácuo no tubo de silicone abrindo válvulas 1 e 3, fechando-se a válvula 2,
figura 40.
4 – Fechar a válvula 1 e forçar o pescoço da mamica de modo a rompê-lo, sem
quebrar o vácuo.
5 – Abrir a válvula 1 e 2, lentamente encher o tubo com hélio até uma pressão acima
da pressão ambiente.
6 – Fechar a válvula 1 e com cuidado tirar o tubo de silicone da mamica.
7 – Acoplar um tubo de quartzo ao sistema de vácuo e encostá-lo na mamica, de
modo que a envolva, mais ou menos como o tubo de silicone.
8 – Soldar o tubo de quartzo à mamica.
9 – Abrir as válvulas 1 e 3 e evacuar o tubo.
10 – Fechar a válvula 2 e evacuar o reservatório de mistura.
11 – Usando a pressão indicada no medidor de pressão, encher o reservatório com a
mistura, pela mesma alimentação da entrada de He.
12 – Fechar a válvula 1.
13 – Selar o tubo.
Na figura 41 é mostrado o desenho esquemático da bancada de recarga de gás, com
o tubo laser completo e os reservatórios de gases para recarga.
Figura 41: modelo geral do projeto da estação de recarga de lasers.
47
ALINHAMENTO DA CAVIDADE RESSONANTE
Somente no caso do canhão A foi verificado que é possível realizar o alinhamento
do laser pois os espelhos da cavidade óptica são colados com cola epóxi de baixa pressão de
vapor, diretamente sobre suportes metálicos (suporte de óptica). O alinhamento é então feito
por deformação do suporte, ajustando-se 4 parafusos Allen. No caso dos canhões B os
conjuntos de ótica são colados diretamente sobre os suportes de vidro, por isso não será
proposto alinhamento para este modelo de canhão, somente para o norte-americano.
1) ALINHAMENTO FINO
Nos casos de desalinhamento pequeno (o laser continua emitindo porém com
potência baixa), pode-se alinhar o laser energizado, usando um medidor de potência contínuo
do mesmo modelo utilizado para o desenvolvimento deste trabalho, girando aos poucos os
parafusos de alinhamento no sentido de maximizar a potência do laser. Inicia-se no espelho
total, passa-se para o de acoplamento, volta para o total e para o de acoplamento novamente,
até que se consiga maximizar a potência do laser.
Deve-se tomar cuidado pois o alinhamento com o laser operando implica em girar os
parafusos com alta tensão aplicada na cabeça do laser. Deve ser utilizada uma chave Allen
isolada eletricamente (uma capa de nylon, por exemplo).
2) ALINHAMENTO GROSSO
Para os casos de alinhamento grosseiro do canhão laser pode-se utilizar de um
equipamento especial para alinhamento dotado de um laser de HeNe, responsável por efutar
emissão no espectro visível.
Posicionando-se o canhão sobre um trilho ótico capaz de efetuar rotações pode-se
alinhar o laser sem acioná-lo.
No fim, o objetivo é que o feixe do laser de HeNe passe no centro do tubo de
descarga. Está sendo assumido que os suportes dos espelhos da cavidade estão alinhados com
o tubo de descarga.