Lasers. Física dos lasers Princípios físicos. Em Mecânica Quântica, as vibrações moleculares e atómicas correspondem a níveis de energia excitados.

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1 Lasers OpE - MIB 2007/2008 Em Mecânica Quântica, as vibrações moleculares e atómicas correspondem a níveis de energia excitados. E = hν Nível excitado Nível fundamental O átomo está a vibrar à frequência ν O átomo está pelo menos parcialmente num estado excitado Lasers II 2 1

2 Átomos excitados emitem fotões espontaneamente. Quando um átomo num estado excitado cai para um estado de energia inferior, ele emite um fotão. Nível excitado Nível fundamental As moléculas permanecem, em geral, excitadas não mais do que alguns nanosegundos. Tal designa-se, por vezes, de fluorescência, ou, para tempos maiores, por fosforescência. Lasers II 3 Átomos e moléculas podem também absorver fotões, efectuando então uma transição de um nível energético inferior para um superior. Nível excitado Nível fundamental Lasers II 4 2

3 Em que níveis de energia as moléculas se encontram? Factores de população de Boltzmann E 3 N 3 [ ] N exp E / k T i i B N i é a densidade de moléculas no estado i (i.e., o número de moléculas por cm 3 ). E 2 N 2 T é a temperatura, e k B é a constante de Boltzmann. E 1 N 1 T em ºK k B =1,38x10-23 J/K Densidade da população Lasers II 5 Factores de população de Boltzmann Na ausência de colisões, as moléculas tendem a permanecer no estado energético mais baixo disponível. Colisões podem provocar transições para níveis energéticos superiores. Quanto mais alta a temperatura, maior a probabilidade de tal acontecer. 3 2 T baixa 1 1 [ E2 kbt ] [ ] N exp / 2 = N exp E / k T B 3 2 T alta 1 Moléculas No equilíbrio, a razão das populações dos dois estados é: N 2 / N 1 = exp( E/k B T ), 1 onde E = E 2 E 1 = hν Moléculas Como resultado, estados de energia alta são sempre menos populacionados que o estado fundamental, sendo a absorção superior à emissão estimulada. Lasers II 6 3

4 Em 1916 Einstein mostrou que um outro processo poderia ocorrer emissão estimulada Antes Após Emissão espontânea Absorção Emissão estimulada Lasers II 7 Emissão estimulada pode conduzir a uma reacção em cadeia emissão laser Se um meio tem muitas moléculas excitadas, um fotão pode gerar muitos. Meio excitado Tal é a essência do laser. O factor pelo qual o feixe de entrada é amplificado pelo meio designa-se por ganho; representa-se por G. Quanto mais alta a temperatura, maior a probabilidade de tal acontecer. Lasers II 8 4

5 O LASER O laser é um meio que armazena energia, ladeado por dois espelhos um espelho parcialmente reflector permite parte da luz sair para o exterior. I 0 I 1 I 3 Meio laser I 2 R = 100% com ganho, G R < 100% Um laser funciona como tal se o feixe aumenta de intensidade durante uma volta completa ( round trip ): I I 3 0 É usual perdas adicionais ocorrerem, tais como absorção, scattering e reflexões. Em geral, o laser emitirá luz laser numa volta completa se: Ganho > Perdas Diz-se alcançar o Limiar ( Threshold ) Lasers II 9 Os coeficientes de Enstein A e B: Relembrar os vários mecanismos que ocorrem num meio laser: 2 1 Taxa de absorção = B N 1 I Taxa de emissão espontânea = A N 2 Taxa de emissão estimulada = B N 2 I Lasers II 10 5

6 Ganho laser Desprezando a emissão espontânea: di dt di = c BN2I - BN1I dz B N - N I A equação da irradiância é: [ ] 2 1 { σ [ 2 1] } I( z) = I(0)exp N N z { σ [ 2 1] } G exp N N L [Emissão estimulada menos absorção] A constante de proporcionalidade é absorption/gain cross-section, σ Pode haver ganho ou perda expoencial. Em geral, N 2 < N 1, existe perda (absorção). Mas se N 2 > N 1, existe ganho G, sendo definido por: I(0) If N 2 > N 1 : If N 2 < N 1 : 0 Meio laser [ ] g N N σ α L 2 1 [ N N ] 1 2 I(L) z σ Lasers II 11 Inversão da população De modo a ter-se G > 1, a emissão estimulada deve exceder a absorção: Ou, equivalentemente, B N 2 I > B N 1 I Inversão N 2 > N 1 Esta condição designa-se por inversão da população. Não ocorre na Natureza. É, inerentemente, um estado De não-equilíbrio. Moléculas Temperatura negativa De modo a conseguir-se esta inversão, o meio laser deve ser, de algum modo, fortemente excitado e a sua escolha adequada. Lasers II 12 6

7 Condição de inversão: Bombagem do meio laser Considere-se a intensidade I de uma fonte de luz (lâmpada de flash) usada para bombear energia para o meio laser: I I 0 I 1 I 3 Meio laser I 2 R = 100% R < 100% Será esta intensidade suficiente para se alcançar inversão da população, N 2 > N 1? Depende do sistema de níveis energéticos do meio laser Lasers II 13 Transição devida à bomba Sistemas de 2-, 3- e 4- níveis energéticos Demorou algum tempo até os cientistas perceberem que os sistemas de 4 níveis são melhores. Sistema de 2- níveis No melhor dos casos, níveis com a mesma população. Não há emissão laser!! Transição Laser Transição devida à bomba Sistema de 3- níveis Se intensidade de bombagem for elevada, existe emissão laser Decaimento rápido Transição Laser Transição devida à bomba Sistema de 4- níveis Decaimento rápido Transição Laser Emissão laser é fácil! Decaimento rápido Lasers II 14 7

8 Tipos de lasers Lasers de estado sólido, o material laser apresenta uma matriz sólida (tal como o rubi ou neodymium:yttrium-aluminum garnet "YAG"). Lâmpadas de flash são as fontes mais comuns usadas como bombas. O laser de Nd:YAG laser emite luz no IV a 1064 nm. Lasers semicondutores, também chamados de díodos lasers, são junções pn. A fonte de bombagem é uma corrente eléctrica. Aplicações: impressoras laser e leitores de CD. Lasers de corantes, usam corantes orgânicos complexos, como meio activo, tais como a rodamina 6G, em solução líquida ou em suspensão. São sintonizáveis sobre uma gama alargada do espectro electromagnético. Lasers a gás, são bombeados por corrente. He-Ne emitem no vísivel e no IV próximo. Lasers de árgon emitem no vísivel e UV. Lasers de CO 2 emitem no IV distante (10.6 µm). Lasers de excímeros, (da junção dos termos excited e dimers ) usam gases reactivos, tais como cloro e flúor, misturados com gases inertes como árgon, krypton ou xénon. Quando electricamente estimulados, uma pseudo molécula ( dimer ) é produzida. Estes lasers emitem no UV. Lasers II 15 O laser de rubi Inventado em 1960 por Ted Maiman dos Hughes Research Labs, foi o 1ºlaser a ser construído. O rubi é um sistema de 3-níveis, donde é difícil obter emissão laser. Lasers II 16 8

9 Lasers de corantes ( Dye ) Os lasers de corantes são sistemas de 4-níveis ideais, tendo acção laser numa gama alargada de cerca de ~100 nm. Lasers II 17 Níveis de energia de um corante O nível inferior do laser pode ser qualquer um da banda S 0. S 1 : 1 st excited electronic state manifold Pump Transition Laser Transitions S 0 : Ground electronic state manifold Os lasers de corantes são tão próximos do ideal que é difícil pará-los de emitir luz laser em todas as direcções! Lasers II 18 9

10 Os lasers de corantes cobrem a gama do visível, IV-próximo e UV-próximo. Lasers II 19 O laser de hélio-néon: He-Ne Electrões energéticos numa descarga de incandescência colidem com átomos de He, excitando-os; estes, por sua vez, colidem e transferem a excitação para os átomos de Ne, os quais são um sistema de 4-níveis ideal. Lasers II 20 10

11 Laser de dióxido de carbono: CO 2 O laser de CO 2 laser funciona de modo análogo: N 2 é bombeado, transferindo a energia para CO 2. Lasers II 21 11

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