Um guia completo sobre princípios e aplicações de laser

I. Princípios dos lasers

Estrutura básica de um laser:

1. Substância de trabalho

O meio ativo do laser refere-se ao sistema material utilizado para conseguir a inversão da população e amplificar a radiação estimulada da luz. Por vezes, é também designado por meio de ganho do laser. Estes podem ser sólidos (cristais, vidro), gasosos (gás atómico, gás iónico, gás molecular), semicondutores e meios líquidos.

O principal requisito para o meio ativo laser é conseguir a maior inversão possível da população entre níveis de energia específicos das suas partículas de trabalho e manter esta inversão tão eficazmente quanto possível durante todo o processo de emissão laser. Para este efeito, o meio ativo deve ter uma estrutura de níveis de energia e características de transição adequadas.

2. Fonte de bombagem

O sistema de excitação (bombagem) refere-se ao mecanismo ou dispositivo que fornece uma fonte de energia para atingir e manter a inversão de partículas no material de trabalho do laser. Dependendo do material de trabalho e das condições de funcionamento do laser, podem ser adoptados diferentes métodos e dispositivos de excitação. Existem quatro tipos comuns:

①. Excitação ótica (bombagem ótica). Trata-se de utilizar a luz emitida por uma fonte de luz externa para irradiar o material de trabalho e obter a inversão de partículas. Todo o dispositivo de excitação é normalmente composto por uma fonte de luz de descarga de gás (como uma lâmpada de xénon ou de crípton) e um condensador.

②. Excitação por descarga de gás. Trata-se de utilizar o processo de descarga de gás que ocorre no material de trabalho do gás para conseguir a inversão de partículas. Todo o dispositivo de excitação é normalmente composto por eléctrodos de descarga e uma fonte de alimentação de descarga.

③. Excitação química. Trata-se de utilizar o processo de reação química que ocorre no material de trabalho para conseguir a inversão de partículas. Normalmente, isto requer reagentes químicos adequados e medidas de desencadeamento correspondentes.

④. Excitação de energia nuclear. Trata-se de utilizar os fragmentos de cisão, as partículas de alta energia ou a radiação produzida por uma reação de cisão nuclear em pequena escala para excitar o material de trabalho e obter a inversão de partículas.

3. Cavidade ressonante - Para aumentar a distância de propagação das ondas de luz no meio de ganho

Um ressoador ótico é normalmente construído através da combinação de dois espelhos com formas geométricas específicas e características de reflexão ótica de uma forma particular. As suas funções são:

①. Para proporcionar uma capacidade de realimentação ótica, permitindo que os fotões de emissão estimulada viajem para trás e para a frente várias vezes dentro da cavidade para formar oscilações sustentadas coerentes.

②. Limitar a direção e a frequência dos feixes de luz oscilantes dentro da cavidade, assegurando que o laser de saída tem uma certa direccionalidade e monocromaticidade.

A primeira função do ressoador é determinada pela forma geométrica (o raio de curvatura da superfície reflectora) e pelo método de combinação relativa dos dois espelhos que normalmente constituem a cavidade. A segunda função é determinada pelas diferentes características de perda selectiva de um determinado tipo de ressoador para a luz com diferentes direcções de percurso e frequências dentro da cavidade.

II. Classificação dos lasers

Por meio de trabalho a laser:

• Lasers de estado sólido (lasers de fibra)
• Lasers de gás
• Lasers de semicondutores
• Lasers de corante
• Lasers de electrões livres

Modos de funcionamento do laser:

• Contínuo
• Impulso: Impulso único; Frequência repetitiva; Quase-contínuo

Por composição química:

• Lasers atómicos
• Lasers moleculares
• Lasers de iões
• Lasers de electrões livres
• Lasers de excímero

Métodos de modulação laser:

• Corrida livre
• Q-switching
• Bloqueio de modo

III. Lasers típicos

1. Lasers de estado sólido

Estão divididos em duas categorias: cristal e vidro, fabricados por dopagem de iões activadores no material de base.

Atualmente, mais de 200 sistemas diferentes dopados com base realizaram a oscilação laser como material de trabalho, mas os três tipos que são amplamente utilizados e têm bom desempenho são os seguintes:

(1) Laser de vidro de neodímio

O neodímio, elemento de terras raras, é dopado em vidro como material de trabalho, λ = 1,053 μm. Uma vez que é possível obter um vidro de neodímio de grande volume e boa uniformidade, este pode ser transformado em grandes dispositivos, obtendo-se lasers de alta energia e potência. Foi produzido um laser com uma potência de saída de 1014W.

(2) Laser de rubi

• Material de trabalho: Cristal de rubi
• Comprimento de onda de saída: λ=694,3nm
• Largura da linha de saída: Δλ=0,01~0,1nm
• Modo de funcionamento: contínuo, pulsado
• Ângulo de divergência: θ ≈ 10^-3rad, geralmente saída multimodo; potência da bomba >limiar 10~20%→modo único

(3) Granada de alumínio e ítrio dopada com neodímio (Nd:YAG)

• Material de trabalho: Cristal YAG dopado com o elemento de terras raras Neodímio
• Comprimento de onda de saída: λ=1064nm, 914nm, 1319nm
• Modo de funcionamento: Contínuo, impulso de alta taxa de repetição

Devido à capacidade de dopar com uma elevada concentração de neodímio, o material de trabalho pode fornecer uma maior potência laser por unidade de volume e o laser pode ser mais pequeno. Se for utilizado um laser de semicondutores como fonte de bombagem, o volume do dispositivo pode ser ainda mais pequeno.

(4) Laser de safira de titânio sintonizável de onda contínua

3900S Laser de Ti:safira sintonizável CW

O laser IR de estado sólido sintonizável e de elevado desempenho

O comprimento de onda de saída varia de 675 a 1100nm

Bombeado por um laser de Ar ou LD bombeando um laser de 532nm

TEM₀₀ a potência de saída pode atingir até 3,5Wcw

Aplicações:

• Espectroscopia
• Laser de fibra investigação
• Investigação no domínio das telecomunicações
• Estudos de semicondutores

2. Lasers de gás

• Material de trabalho: Vários gases misturados, boa uniformidade ótica.
• Os lasers de gás são superiores em termos de monocromaticidade e estabilidade do feixe em comparação com os lasers de estado sólido, de semicondutores e de líquidos.
• As linhas de espetro atingiram milhares de tipos (160nm~4mm).
• Modo de funcionamento: Funcionamento contínuo (na maioria dos casos)

A maioria dos lasers de gás tem a desvantagem de não ter uma potência instantânea elevada.

Motivo: Normalmente, a pressão do gás é baixa, o que resulta num menor número de partículas por unidade de volume.

(1) Laser de hélio-néon

Material de trabalho: Mistura de gases hélio e néon

O laser é emitido por átomos de néon, enquanto o hélio melhora as condições de descarga do gás, aumentando assim a potência de saída do laser.

Comprimento de onda de saída: O comprimento de onda normalmente utilizado é de 632,8nm

Dependendo das condições de funcionamento escolhidas, o laser pode emitir luz infravermelha próxima, vermelha, amarela e verde.

(λ=3,39μm; λ=1,15μm)

(2) O CO₂ Laser

Material de trabalho: Uma mistura de CO₂, He, N₂e os gases Xe

O laser é emitido pelo CO₂ enquanto os outros gases contribuem para melhorar as condições de funcionamento do laser, aumentando a potência de saída, a estabilidade e o tempo de vida do laser.

Comprimento de onda de saída: λ=10,6μm

O laser de CO2 é o de maior potência laser de gáscom uma potência contínua de 50kW e uma potência de impulso de 1012W.

(3) Laser de iões de árgon

Laser de iões de árgon/criptografia, Stabilite2017 Laser de iões de árgon/criptografia

Comprimento de onda de saída:

• λ =488nm；
• λ =514,5 nm ；

A mais elevada potência de saída na área da luz visível

A potência de saída varia entre alguns watts e algumas centenas de watts.

3. Laser de hélio-cádmio

Utilizando vapor de cádmio metálico como material emissor, tem principalmente duas linhas espectrais contínuas, nomeadamente, radiação ultravioleta com um comprimento de onda de 325nm e luz azul de 441,6nm. A potência de saída típica é respetivamente 1~25mW e 1~100mW. As suas principais áreas de aplicação incluem impressão tipográfica, contagem de células sanguíneas, inspeção de chips de circuitos integrados e experiências de fluorescência induzida por laser, etc.

(1). Laser de vapor de cobre

Tipicamente excitado por colisão de electrões, as suas duas principais linhas espectrais de trabalho são a luz verde com 510,5 nm de comprimento de onda e a luz amarela com 578,2 nm. Com uma largura de impulso típica de 10 a 50nS, a frequência de repetição pode atingir os 100KHz. No nível atual, a energia de um único impulso é de cerca de 1mJ. Isto implica que a potência média pode atingir 100W, enquanto a potência de pico pode atingir 100KW.

(2). Laser molecular de azoto

A excitação por descarga de impulsos produz luz externa violeta, com uma potência de pico que atinge dezenas de megawatts, largura de impulso inferior a 10nS, frequência de repetição de dezenas de Hz a milhares de Hz. É utilizado principalmente como fonte de bombagem para lasers de corante e pode também ser utilizado para análise espetral, deteção, medicina e fotoquímica. Comprimentos de onda comuns: 337,1nm, 357,7nm.

3. Laser de semicondutores

Fabricado com materiais semicondutores de diferentes componentes.

Laser com a área ativa e a área de restrição.

Características: Mais pequeno em tamanho, mais leve em peso, longa vida útil, tempo de utilização efectiva superior a 100.000 horas.

Gama de comprimentos de onda de saída: Ultravioleta, visível, infravermelho

Potência de saída: mW, W, kW.

Diagrama esquemático do laser de semicondutores DFB

Diagrama esquemático do laser de semicondutores DBR

Laser de emissão de superfície de cavidade vertical (VCSEL)

Lasers quânticos em cascata, QCLs

Um novo tipo de dispositivo semicondutor unipolar baseado no princípio da transição de electrões entre sub-bandas em poços quânticos semicondutores e no tunelamento ressonante assistido por fonões.

Fibra acoplada (pacote Pigtail)

Dispositivos laser de semicondutores

Laser de emissão única acoplado a fibra do tipo ProLite

IV. Aplicações dos lasers

1. Aplicações industriais

• Medição de precisão (distância, deslocação)
• Processamento a laser (corte, soldadura, perfuração, gravação)
• Análise espetral

2. Aplicações médicas

• Oftalmologia
• Cirurgia geral
• Medicina dentária
• Dermatologia

3. Aplicações militares

• Telêmetro a laser
• Reconhecimento laser
• Comunicação Laser Atmosférica
• Orientação por laser
• Armas laser

4. Aplicações diárias

• Impressoras laser
• Unidades ópticas para computadores
• Scanners de código de barras
• Anti-contrafação a laser
• Luzes de néon laser

5. Aplicações no domínio da comunicação

• Comunicação Laser Espacial
• Comunicação por fibra ótica

V. Mecanismos de danos causados por armas laser

1. Efeito de ablação - Alta temperatura local

2. Efeito de onda de choque

3. Efeito de radiação - Campo eletromagnético forte

VI. Vantagens das armas laser

1. Não é necessário efetuar cálculos balísticos

2. Sem recuo

3. Fácil operação, utilização ágil e versátil

4. Sem poluição radioactiva, elevada relação custo-eficácia

Quase todos os lasers utilizados nas comunicações ópticas são lasers de semicondutores, havendo apenas um pequeno número de sistemas CATV que utilizam lasers de estado sólido bombeados por LD de 1310 nanómetros ou 1550 nanómetros.

Os lasers utilizados nas comunicações são principalmente de dois tipos: fontes de luz de bombagem utilizadas em amplificadores de fibra ótica e fontes de luz de sinal utilizadas em transmissores.

Os lasers utilizados nas comunicações FSO (Free Space Optics) estão disponíveis em dois tipos: 850nm e 1550nm.

VII. Medição por laser

Utilize a monocromaticidade, a forte coerência e a directividade dos lasers para obter medições e inspecções de alta precisão, como a medição de comprimentos, distâncias, velocidades e ângulos.

VIII. Soldadura a laser

IX. Prototipagem rápida a laser

X. Gravação a laser

XI. Fusão nuclear a laser

XII. Tratamento médico a laser

XIII. Comunicação Laser

Como a frequência das ondas de luz é várias ordens de grandeza superior à das ondas de rádio, uma fibra ótica muito fina pode transportar uma quantidade de informação equivalente à que um cabo desta espessura na imagem pode transportar.

XIV. Armas laser

XV. Ecrã laser