O primeiro princípio do laser, cuja física se baseava na lei da radiação de Planck, foi teoricamente comprovado por Einstein em 1917. Ele descreveu absorção, radiação eletromagnética espontânea e estimulada usando coeficientes de probabilidade (coeficientes de Einstein).
Pioneiros
Theodor Meiman foi o primeiro a demonstrar o princípio de funcionamento de um laser de rubi baseado no bombeamento óptico de rubi sintético com uma lâmpada de flash, que produzia radiação coerente pulsada com comprimento de onda de 694 nm.
Em 1960, os cientistas iranianos Javan e Bennett criaram o primeiro gerador quântico de gás usando uma mistura 1:10 dos gases He e Ne.
Em 1962, RN Hall demonstrou o primeiro laser de diodo de arseneto de gálio (GaAs) emitindo em um comprimento de onda de 850 nm. Mais tarde naquele ano, Nick Golonyak desenvolveu o primeiro gerador quântico de luz visível semicondutor.
Design e princípio de funcionamento dos lasers
Cada sistema laser consiste em um meio ativo colocadoentre um par de espelhos opticamente paralelos e altamente refletivos, um dos quais translúcido, e uma fonte de energia para seu bombeamento. O meio de amplificação pode ser sólido, líquido ou gasoso, que tem a propriedade de amplificar a amplitude de uma onda de luz que o atravessa por emissão estimulada com bombeamento elétrico ou óptico. Uma substância é colocada entre um par de espelhos de tal forma que a luz neles refletida passa cada vez por ela e, tendo alcançado uma amplificação significativa, penetra em um espelho translúcido.
Ambientes de duas camadas
Vamos considerar o princípio de funcionamento de um laser com um meio ativo, cujos átomos possuem apenas dois níveis de energia: excitado E2 e básico E1 . Se os átomos são excitados para o estado E2 por qualquer mecanismo de bombeamento (óptico, descarga elétrica, transmissão de corrente ou bombardeio de elétrons), então após alguns nanossegundos eles retornarão à posição do solo, emitindo fótons de energia hν=E 2 - E1. De acordo com a teoria de Einstein, a emissão é produzida de duas maneiras diferentes: ou é induzida por um fóton, ou ocorre espontaneamente. No primeiro caso, ocorre a emissão estimulada e, no segundo, a emissão espontânea. No equilíbrio térmico, a probabilidade de emissão estimulada é muito menor do que a emissão espontânea (1:1033), de modo que a maioria das fontes de luz convencionais são incoerentes, e a geração de laser é possível em condições diferentes das térmicas. equilíbrio.
Mesmo com muito fortebombeamento, a população de sistemas de dois níveis só pode ser igualada. Portanto, sistemas de três ou quatro níveis são necessários para alcançar a inversão populacional por métodos ópticos ou outros métodos de bombeamento.
Sistemas multinível
Qual é o princípio do laser de três níveis? A irradiação com luz intensa de frequência ν02 bombeia um grande número de átomos do nível de energia mais baixo E0 até o nível de energia mais alto E 2. A transição não radiativa dos átomos de E2 para E1 estabelece uma inversão populacional entre E1 e E 0 , o que na prática só é possível quando os átomos estão em um estado metaestável por muito tempo E1, e a transição de E2para E 1 está indo rápido. O princípio de funcionamento de um laser de três níveis é atender a essas condições, devido a que entre E0 e E1 uma inversão de população é alcançada e fótons são amplificados pela energia E 1-E0 emissão induzida. Um nível mais amplo de E2 poderia aumentar a faixa de absorção do comprimento de onda para um bombeamento mais eficiente, resultando em um aumento na emissão estimulada.
O sistema de três níveis requer uma potência de bombeamento muito alta, pois o nível mais baixo envolvido na geração é o de base. Neste caso, para que ocorra a inversão populacional, mais da metade do número total de átomos deve ser bombeado para o estado E1. Ao fazer isso, a energia é desperdiçada. A potência de bombeamento pode ser significativamentediminuir se o nível de geração mais baixo não for o básico, o que requer pelo menos um sistema de quatro níveis.
Dependendo da natureza da substância ativa, os lasers são divididos em três categorias principais, a saber, sólido, líquido e gasoso. Desde 1958, quando o laser foi observado pela primeira vez em um cristal de rubi, cientistas e pesquisadores estudaram uma grande variedade de materiais em cada categoria.
Laser de Estado Sólido
O princípio de funcionamento é baseado no uso de um meio ativo, que é formado pela adição de um metal do grupo de transição à rede cristalina isolante (Ti+3, Cr +3, V+2, С+2, Ni+2, Fe +2, etc.), íons de terras raras (Ce+3, Pr+3, Nd +3, Pm+3, Sm+2, Eu +2, +3 , Tb+3, Dy+3, Ho+3 , Er +3, Yb+3, etc.), e actinídeos como U+3. Os níveis de energia dos íons são responsáveis apenas pela geração. As propriedades físicas do material base, como condutividade térmica e expansão térmica, são essenciais para uma operação eficiente do laser. O arranjo dos átomos da rede em torno de um íon dopado altera seus níveis de energia. Diferentes comprimentos de onda de geração no meio ativo são obtidos pela dopagem de diferentes materiais com o mesmo íon.
Laser de hólmio
Um exemplo de laser de estado sólido é um gerador quântico, no qual o hólmio substitui um átomo da substância base da rede cristalina. Ho:YAG é um dos materiais de melhor geração. O princípio de funcionamento de um laser de hólmio é que a granada de ítrio-alumínio é dopada com íons de hólmio, bombeada opticamente por uma lâmpada de flash e emite um comprimento de onda de 2097 nm na faixa do IR, que é bem absorvido pelos tecidos. Este laser é usado para operações nas articulações, no tratamento de dentes, para a evaporação de células cancerosas, rins e cálculos biliares.
Gerador quântico de semicondutores
Os lasers de poços quânticos são baratos, produzidos em massa e facilmente escaláveis. O princípio de funcionamento de um laser semicondutor é baseado no uso de um diodo de junção p-n, que produz luz de um determinado comprimento de onda por recombinação de portadora em uma polarização positiva, semelhante aos LEDs. LED emitem espontaneamente e diodos de laser - forçado. Para cumprir a condição de inversão de população, a corrente de operação deve exceder o valor limite. O meio ativo em um diodo semicondutor tem a forma de uma região de conexão de duas camadas bidimensionais.
O princípio de funcionamento deste tipo de laser é tal que nenhum espelho externo é necessário para manter as oscilações. A refletividade criada pelo índice de refração das camadas e a reflexão interna do meio ativo é suficiente para este propósito. As superfícies finais dos diodos são lascadas, o que garante que as superfícies refletoras sejam paralelas.
Uma conexão formada por materiais semicondutores do mesmo tipo é chamada de homojunção, e uma conexão criada por uma conexão de dois materiais diferentes é chamada de homojunçãoheterojunção.
Os semicondutores do tipo P e n com alta densidade de portadores formam uma junção p-n com uma camada de depleção muito fina (≈1 µm).
Laser a gás
O princípio de funcionamento e o uso deste tipo de laser permite criar dispositivos de quase qualquer potência (de miliwatts a megawatts) e comprimentos de onda (de UV a IR) e permite trabalhar nos modos pulsado e contínuo. Com base na natureza do meio ativo, existem três tipos de geradores quânticos de gás, ou seja, atômico, iônico e molecular.
A maioria dos lasers a gás são bombeados com uma descarga elétrica. Os elétrons no tubo de descarga são acelerados pelo campo elétrico entre os eletrodos. Eles colidem com átomos, íons ou moléculas do meio ativo e induzem uma transição para níveis de energia mais altos para atingir um estado populacional de inversão e emissão estimulada.
Laser Molecular
O princípio de funcionamento de um laser baseia-se no fato de que, ao contrário de átomos e íons isolados, as moléculas em geradores quânticos atômicos e iônicos possuem amplas bandas de energia de níveis discretos de energia. Além disso, cada nível de energia eletrônica possui um grande número de níveis vibracionais, e estes, por sua vez, possuem vários níveis rotacionais.
A energia entre os níveis de energia eletrônica está nas regiões UV e visível do espectro, enquanto entre os níveis vibracional-rotacionais - no infravermelho distante e próximoáreas. Assim, a maioria dos geradores quânticos moleculares opera nas regiões do infravermelho distante ou próximo.
Excimer laser
Excimers são moléculas como ArF, KrF, XeCl, que possuem um estado fundamental separado e são estáveis no primeiro nível. O princípio de funcionamento do laser é o seguinte. Como regra, o número de moléculas no estado fundamental é pequeno, então o bombeamento direto do estado fundamental não é possível. As moléculas são formadas no primeiro estado eletrônico excitado pela combinação de haletos de alta energia com gases inertes. A população da inversão é facilmente alcançada, uma vez que o número de moléculas no nível de base é muito pequeno comparado ao excitado. O princípio de funcionamento de um laser, em suma, é a transição de um estado eletrônico excitado ligado para um estado fundamental dissociativo. A população no estado fundamental sempre permanece em um nível baixo, porque as moléculas neste ponto se dissociam em átomos.
O dispositivo e princípio de funcionamento dos lasers é que o tubo de descarga é preenchido com uma mistura de haleto (F2) e gás de terras raras (Ar). Os elétrons dissociam e ionizam as moléculas de haleto e criam íons carregados negativamente. Os íons positivos Ar+ e negativos F- reagem e produzem moléculas de ArF no primeiro estado ligado excitado com sua subsequente transição para o estado base repulsivo e geração de radiação coerente. O laser excimer, cujo princípio de operação e aplicação estamos considerando agora, pode ser usado para bombearmeio ativo em corantes.
Laser Líquido
Comparados aos sólidos, os líquidos são mais homogêneos e possuem maior densidade de átomos ativos do que os gases. Além disso, eles são fáceis de fabricar, permitem uma fácil dissipação de calor e podem ser facilmente substituídos. O princípio de funcionamento do laser é usar corantes orgânicos como meio ativo, como DCM (4-dicianometileno-2-metil-6-p-dimetilaminoestiril-4H-pirano), rodamina, estiril, LDS, cumarina, estilbeno, etc…, dissolvido num solvente apropriado. Uma solução de moléculas de corante é excitada por radiação cujo comprimento de onda tem um bom coeficiente de absorção. O princípio de funcionamento do laser, em suma, é gerar em um comprimento de onda maior, chamado de fluorescência. A diferença entre a energia absorvida e os fótons emitidos é usada por transições de energia não radiativas e aquece o sistema.
A banda de fluorescência mais ampla dos geradores quânticos líquidos tem uma característica única - ajuste de comprimento de onda. O princípio de operação e o uso desse tipo de laser como fonte de luz sintonizável e coerente está se tornando cada vez mais importante em espectroscopia, holografia e aplicações biomédicas.
Recentemente, geradores quânticos de corantes têm sido usados para separação de isótopos. Neste caso, o laser excita seletivamente um deles, levando-os a entrar em uma reação química.
