Lasers como fontes de radiação eletromagnética

Lasers – divisão em função do meio ativo utilizado

Laser é um acrônimo para Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation . Eles trabalham amplificando a luz emitida forçando a emissão. Eles emitem radiação eletromagnética na faixa de luz visível, ultravioleta ou infravermelha. O funcionamento dos lasers é baseado na emissão estimulada, que consiste em iluminar átomos excitados com radiação de energia definida. A divisão mais geral dos lasers é baseada em sua classificação dependendo do meio ativo ou do comprimento de onda da radiação emitida. Levando em consideração o meio ativo presente no laser, podemos distinguir lasers de gás, líquido e de estado sólido. Moléculas, átomos ou íons que fazem parte de tal meio diferem em sua estrutura energética. Determina os parâmetros mais importantes do laser. Abaixo estão os exemplos mais importantes de lasers, dependendo do meio ativo utilizado. Entre parênteses estão as faixas de comprimento de onda da onda emitida:

lasers de gás

• Hélio-neônio (543 nm ou 633 nm)
• Argan (458nm, 488nm ou 514,5nm)
• Nítrico (337,1 nm)
• Krypton (647,1 nm, 676,4 nm)
• Dióxido de carbono (10,6 μm)

lasers líquidos

• Laser de corante (400 nm – 700 nm)

Lasers de estado sólido

• Laser de rubi (694,3 nm)
• laser de neodímio YAG
• Laser de neodímio de vidro
• Laser de érbio YAG (1645 nm)
• Laser de túlio YAG (2015 nm)

Características dos lasers selecionados

• laser de argônio

O laser de argônio pertence ao grupo dos lasers de íons de gás. O meio ativo neste caso é formado por íons de argônio. Este laser pode emitir mais de 30 linhas que variam do ultravioleta à luz vermelha. Átomos de argônio são mantidos no tubo de descarga a uma pressão de cerca de 0,1 Torr. Os elétrons criados durante a descarga colidem com átomos de argônio. Eles podem diretamente ionizá-los e excitá-los, movendo os átomos do estado fundamental para o estado de íon excitado. Outro processo mais eficaz é a ionização em dois estágios do argônio. O íon formado dessa maneira é então transferido para um estado de excitação ainda maior, que é chamado de estado de laser superior. Isso possibilita a geração de várias linhas espectrais com frequências diferentes.

• Laser de hélio-neon

O laser de hélio-neônio é um exemplo de laser a gás, construído em 1959. A luz é emitida como resultado da chamada inversão de população. Hélio e neon são colocados na proporção de 10:1 (a pressão total é próxima a 1,3 hPa) em um tubo de vidro de quartzo. A tensão é aplicada em suas extremidades, o que causa descargas no gás. Como resultado, um campo eletrostático é criado dentro do tubo. Acelera elétrons e íons a altas velocidades. Como há mais átomos de hélio dentro desse laser, os elétrons acelerados os atingem com muito mais frequência e causam sua excitação para estados de energia mais altos, que são relativamente estáveis por um tempo relativamente longo. Os átomos de hélio excitados, por sua vez, colidem com os átomos de néon e transferem a energia de excitação para eles. Para esse gás, os tempos de excitação em um nível mais alto são maiores do que em um nível mais baixo, portanto, após algum tempo, ocorre a chamada inversão de população.

• Laser de dióxido de carbono (molecular)

Esses lasers podem operar nos modos contínuo e pulsado. O meio ativo neste caso é uma mistura de dióxido de carbono (CO ₂ ), nitrogênio (N ₂ ) e hélio (He) em uma proporção de volume de 1: 1,3 : 1,7. Cada um deles cumpre funções específicas. O dióxido de carbono é o gás ativo, as descargas elétricas, que fornecem energia de excitação, ocorrem no nitrogênio, enquanto o hélio é projetado para estabilizar o plasma de CO ₂ e dissipar o calor resultante. As descargas elétricas que ocorrem em uma mistura de dióxido de carbono e nitrogênio causam uma excitação muito efetiva das moléculas de N ₂ . Como tal molécula tem núcleos idênticos, uma transição dipolo é proibida. A energia é perdida apenas como resultado de colisões. Se houver moléculas de dióxido de carbono no tubo de laser molecular, como consequência da boa coincidência dos níveis excitados de N ₂ e CO ₂ , as colisões do segundo tipo causam a excitação das moléculas de CO ₂ e retornam ao estado fundamental de N ₂ moléculas. Nesse caso, a inversão na mistura é muito mais fácil do que no CO ₂ puro.

• laser de rubi

Foi construído em 1960 por Theodore Maiman. A substância ativa responsável pelas propriedades do laser de rubi é o rubi (trióxido de alumínio, Al ₂ O ₃ , no qual alguns dos átomos de alumínio são substituídos por átomos de Cr ³⁺ cromo). Os lasers de rubi operam em pulsos, emitindo radiação na faixa de luz vermelha visível. A parte central do laser é uma haste de rubi com uma lâmpada de flash acima dela. O intenso flash de luz que vem dele excita alguns átomos de rubi para um estado de energia mais alto. Por sua vez, os átomos de rubi excitam outros átomos dessa maneira, enviando fótons. Em ambos os lados do bastão de rubi existem espelhos que potencializam esse efeito. Um deles é semipermeável, e os fótons que escapam por ele são o feixe de laser resultante. Os lasers de rubi são agora principalmente de interesse histórico. Seu uso é limitado à holografia ou remoção de tatuagens.