Vimos a aula passada os coeficiees de Eisei: Com B B e A B A 8 B hv c ρ( v) A B B quao maior a difereça de eergia ere íveis, mais provável fica a emissão espoâea em relação à esimulada. Vemos ambém que: A Bρ( v) hv e kt para áomos em equilíbrio érmico, emissão espoâea >> esimulada, se hv >> kt, que é a codição usual em áomos e moléculas. A esimulada pode ser imporae se hv kt, ou se hv << kt. axa de emissão axa de absorção Quado hv << kt, emos: A + Bρ( v) A B ( v) + ρ Bρ( v) axa de emissão e axa de absorção hv e hv kt hv e kt + B kt hv kt FNC076 - Física Modera
Se o sisema esá em equilíbrio érmico Bolzma <<. Mas fora do equilíbrio vale udo. Se iverermos a população, fazedo >, poderemos er emissão > absorção, fazedo com que a radiação a freqüêcia v (ε ε )/h, seja amplificada. Só que esse processo faz a população mudar. Para maer o processo é ecessário maer a população iverida, por meio da ijeção de eergia o sisema. Ligh Amplificaio by Simulaed Emissio of Radiaio Exisem vários ipos de laser, mas odos êm algumas caracerísicas comus: ) Uma foe de eergia (pulsada ou coíua) capaz de produzir iversão de população ere íveis aômicos. No caso do laser de He-Ne essa foe é uma descarga elérica, que rasfere eergia aos áomos por meio de colisões aômicas. No caso de lasers que usam crisais, é usada ilumiação iesa e de especro largo, processo cohecido como bombeameo óico. ) Um maerial cujos áomos eham pelo meos íveis de eergia: o esado fudameal; um esado iermediário com meia-vida, s, relaivamee loga (meaesável); e um erceiro esado, de eergia mais ala, para bombeameo. FNC076 - Física Modera
Noem que um sisema de íveis ão é sujeio a iversão de população, pois, com bombeameo óico ieso, poder-se-ia, o máximo, aigir uma siuação em que as populações dos íveis fossem iguais. Bombeameo mais ieso apeas aumearia a axa de rasições ao de quao de, pois as probabilidades de rasição são iguais, como vimos. Para que possa haver iversão de população, a absorção de eergia deve ser feia por uma rasição diferee daquela que sofrerá a emissão esimulada. Daí a ecessidade de íveis, pelo meos. ) Um méodo que coeha os fóos emiidos iicialmee o meio, de forma que eles possam esimular rasições em ouros áomos. Isso, em geral, é feio por meio de espelhos as exremidades do sisema, de forma que os fóos aravessem o meio muias vezes. Dessa forma, o laser pode ser eedido como um ressoador óico. a oscilação cosise de uma oda plaa refleida ere os espelhos das exremidades. Essas odas que camiham em direções oposas formam uma oda esacioária com ós os espelhos. Para que luz de ala iesidade seja exraída, um dos espelhos é semi-rasparee. A realização física desse processo é represeada a figura abaixo e requer a escolha de um elemeo com íveis de eergia com as propriedades adequadas. FNC076 - Física Modera
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Problemas: ) quado áomo emie um fóo, decaido para o esado fudameal, o que acoece em seguida? Se udo correr bem, o bombeameo óico vai levá-lo de vola para o esado exciado e o processo coiua. Mas isso pode demorar um pouco para ocorrer. Nesse caso, esse áomo pode absorver um fóo do laser, de forma a volar para o esado ε. Isso dimiui a iesidade do laser, prejudicado o processo. ) Codição de iício de oscilação (ou codição de laser). A emissão laser pode ser suseada se o aumeo do úmero de fóos, por passagem o laser, for maior que a redução provocada por perdas (emissão do laser, absorção o meio, espalhameo por impurezas, ec.) Vamos juar odos os processos de perda em uma úica cosae de empo: I I 0 e p di d perda I p Aes de calcularmos os gahos, lembremos da axa de rasição iduzida, que é proporcioal ao coeficiee B de Eisei: R i ρ(v,t)b. A B 8 hv ρ( v, T ) c ρ( v, T ) c Ri A c 8 hv 8 hv ode s A - é a meia-vida para emissão espoâea. FNC076 - Física Modera s 5
O gaho em iesidade da cavidade, devido a rasições esimuladas, vai ser dado pela difereça ere a emissão esimulada do ível e a absorção do. di d gaho ( ) hvcri ode hvc é o que cada fóo coribui para a iesidade, R i a axa de rasição iduzida e ( ) a desidade de população do ível (). Para que haja fucioameo suseado do laser: di d gaho di d perda ( ) hvcr Subsiuido R i e lembrado que I cρ, emos: v c N V 8 s c desidade de p J x m/s x ( o áomos)/m W/m Essa expressão os permie deermiar a poêcia ecessária para iiciar o fucioameo do laser. Mas, aes, devemos aalisar os... i I p população críica FNC076 - Física Modera 6
Lasers de 4 íveis Nesse caso, como E E 0 >> kt, o ível E é praicamee despopulado, ou seja, N ~ 0 que a iversão de população é muio fácil de ser aigida. Assim: N c ~ N e a poêcia míima ecessária é: N hv 8 c s P V s c p s c v hv 8 hv p Noem que, o caso do laser de íveis, o decaimeo se faz ere o ível e o esado fudameal, que é muio populado. Nesse caso: N ~ N >> N c Para que se cosiga iversão de população, aproximadamee N/ áomos êm que ir para o ível. Porao: P N / >> P 4 N c Assim, os lasers de 4 íveis são muio mais eficiees que os de íveis. FNC076 - Física Modera 7
Laser de rubi Lasers pulsados de alíssima poêcia FNC076 - Física Modera 8
Laser de He-Ne Por causa da forma como é produzida, a luz do laser apresea algumas propriedades muio imporaes: coerêcia, moocromaicidade, baixa divergêcia e ala desidade de eergia (eergia por uidade de área do feixe). FNC076 - Física Modera 9
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Laser de eléros livres (free elecro laser FEL) feixe de eléros wiggler cuidado! relaividade FNC076 - Física Modera bobagem
Emissão de radiação por uma carga acelerada P 4 0 e a c P. Tavares, LNLS FNC076 - Física Modera
Emissão de radiação por uma parícula carregada em movimeo circular uiforme P. Tavares, LNLS v 0,7c Poêcia γ 4 v << c FNC076 - Física Modera
Razão ere a eergia emiida pelos lobos froal/raseiro FNC076 - Física Modera Kleber D. Machado, Teoria do Eleromageismo, Vol., Ed. UEPG, PR, 006. 4