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 equilíbrio
dinâmico para um meio material imerso em radiação
eletromagnética, absorvendo-a e reemitindo-a.
O processo de emissão estimulada.
Absorção e emissão
A probabilidade da emissão
estimulada é idêntica à
probabilidade da absorção
estimulada.
Absorção e emissão
Níveis de energia:
http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/lasers/electroncycle/laserfigure1.jpg
O argumento de Einstein
Equilíbrio:
estimulada
Em equilíbrio térmico:
espontânea
absorção
O argumento de Einstein
No limite clássico (T infinita):
(prob. de emissão estimulada
aprox. igual a prob. de absorção)
Resolvendo para u (n):
Ou:
(Parecida com Planck)
O argumento de Einstein
Planck:
Então:
Isto é, emissão estimulada é proporcional a emissão espontânea
em equilíbrio.
MASER
Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation
Charles H. Townes (1954)
LASER
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
•1958 Previsão de condições para amplificação de luz por
emissão estimulada (Laser) por Charles H. Townes e
Arthur L. Schawlow (Nobel 1981)
•Julho 1960 Primeira operação bem sucedida de um
maser óptico (laser) por Theodore H. Maiman
Theodore H. Maiman
O primeiro laser: Rubi
Laser pulsado
de rubi (1960)
meio ativo:
Al2O3 :Cr2O3 (0,05%)
Condições
•Inversão de População
Nesta situação a emissão
estimulada domina sobre a
absorção estimulada.
Condições
•Emissão Estimulada
O fóton emitido está em fase com,
tem a polarização de, e se propaga
na mesma direção da radiação que
o estimulou.
Mecanismo
Níveis de energia: laser de Rubi
estados F
(largos)
luz de bombeio
transições
rápidas
não-radiativas
estados metaestáveis
transição
laser
(694,3 nm)
estado fundamental
Níveis de energia dos íons Cr no rubi
Cavidade Laser
A cavidade óptica ressonante
modos longitudinais (ondas estacionárias):
A cavidade óptica ressonante
modos longitudinais (ondas estacionárias):
Modos transversais
TEM00
TEM11
TEM10
TEM21
TEM20
TEM22
TEM30
TEM13
TEM03
Modos transversais: fase
Classificação
Divididos em quatro áreas abrangentes, dependendo do potencial de dano biológico:
• Classe I – estes lasers não emitem radiação dentro dos níveis de perigo conhecidos.
• Classe IM – pode apresentar perigo se observada com instrumentos ópticos.
• Classe II – 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 reação humana de
aversão ao brilho intenso iria proteger a pessoa. Perigosa se exposição > 0,25 s.
• Classe IIM – como a classe II, mas apresenta maior perigo se observada com
instrumentos ópticos.
• Classe IIIR – lasers de potência intermediária (cw: 1 a 5 mW). Risco baixo, mas
potencialmente danoso. São danosos apenas para exposição direta do olho ao feixe. A
maioria dos apontadores laser estão nesta classe.
• Classe IIIB – lasers de potência moderada, abaixo de 0,5 W. Potencialmente
perigosos para os olhos e pele.
• Classe IV – lasers de alta potência (cw: 500 mW, pulsado: 10 J/cm2 ou o limite de
reflexão difusa), os quais são danosos aos olhos em quaisquer condições (espalhado
diretamente ou difuso), e podem provocar incêndios ou danos a pele. Requerem
controles específicos nas instalações.
Desenvolvimentos
•O laser de He-Ne
Fevereiro 1961 Ali Javan, W.R. Bennett Jr. e D. R. Herriott - Laser He-Ne
contínuo (cw) 1152.3 nm
Mistura típica 0.8 torr de He e 0.1 torr de Ne
Hoje em dia 632.8 nm
O laser de He-Ne
Desenvolvimentos
•Lasers de Estado Sólido (de aprox. 170 nm a 3900 nm)
Ex: Nd3+, Ho3+, Gd3+, Tm3+, Er3+, Pr3+ e Eu3+ em cristais de CaWO4,
Y2O3, SrMoO4, LaF3, YAG e vidro
•Lasers a Gás (do IR ao UV(1 mm a 150 nm))
Ex: He-Ne, Ar, Kr, CO2, N2, He-Cd
•Lasers Semicondutores (1962) (junção ou diodo laser, 700 nm a 30 mm)
Ex: GaAs/GaAlAs, GaInAsP/InP
•Lasers de Corantes (1963) (solução corante + solvente, do IR ao UV)
•Lasers Químicos (1964) (bombeado com energia de reação química)
Ex: DF-CO2 (F2 + D2 ® 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
Esquema de bandas da
junção p-n
Carga espacial devido a
defeitos ionizados
d0
log da concent.
Concentração de
doadores e aceitadores
p
--++
--++
--++
--++
--++
Posição
n
O diodo emissor de luz (LED)
O laser de semicondutor
O laser semicondutor
Desenvolvimentos
Desenvolvimentos


W. Ketterle et al. (1996)
Condensado de BoseEinstein (1924)
Emissão coerente de
pulsos de 100.000 até
vários milhões de átomos
Do micro
Ao macro
O laser NOVA (EUA)
Aplicações
Pesquisa
estudo de interfaces
detecção de moléculas
Medicina
cirurgia ocular
dermatologia
odontologia
Comercial
leitores de código de barras (1974)
telecomunicações
Industrial
corte
solda
Pesquisa
Espalhamento dinâmico de luz
Processos de espalhamento de
luz
Espalhamento de luz
Espalhamento elástico
Espalhamento inelástico
(fóton incidente e espalhado
mesma freq.)
(fóton incidente e espalhado freq.
diferentes)
Rayleigh
Mie
Brillouin
Raman
(partículas
menores que l)
(partículas
comparáveis a l)
(fônons
acústicos)
(fônons ópticos ou
excitação vibracional na
molécula)
Aplicações no dia a dia
A impressora a laser
Aplicações no dia a dia
O CD-driver
Aplicações no dia a dia
O leitores de códigos de barra
Aplicações no dia a dia
Palomar Q Yag 5
antes
Medicina e odontologia
depois
Aplicações industriais
Absorção de luz por metais
Aplicações
laser
de CO2
30 kW
laser
de diodo
200 W
O laser de CO2
O laser de Nd:YAG
O papel da polarização
Perpendicular ao corte
Paralela ao corte
O perfil de intensidade
A máquina de corte a laser
A cabeça
Corte e soldagem
Conclusões
http://www.laserfocusworld.com
http://www.photonics.com/spectraHome.aspx