Tipos de laser 101: O seu guia para classificações de laser

Os lasers podem ser classificados de várias formas, normalmente por meio ativo, método de excitação, modo de saída e gama de comprimentos de onda.

A classificação por meio ativo divide os lasers em lasers de estado sólido, de gás, de líquido e de semicondutores.

Além disso, os lasers podem ser classificados de acordo com a sua saída como onda contínua ou pulsada.

(1) Lasers de estado sólido

Os lasers de estado sólido utilizam materiais como o rubi, o vidro de neodímio e a granada de ítrio e alumínio (YAG), em que uma pequena quantidade de iões é dopada uniformemente no cristal ou vidro hospedeiro. Os iões dopados, conhecidos como iões activos, são responsáveis pelas emissões laser. Os iões de metais de transição, como o crómio (Cr³⁺) e iões de metais de terras raras, como o neodímio (Nd³⁺) e o érbio podem servir como iões activos.

Estes lasers são normalmente excitados por luz, com fontes de luz pulsada comuns, incluindo lâmpadas de xénon, e fontes contínuas, como lâmpadas de arco de crípton, lâmpadas de tungsténio de iodo e lâmpadas de rubídio de potássio. Em lasers pequenos e de longa duração, podem ser utilizados díodos emissores de luz ou luz solar como fonte de excitação. Alguns novos lasers de estado sólido são também excitados por outros lasers.

Os lasers de estado sólido apresentam um tamanho compacto, robustez, facilidade de utilização e elevada potência de saída. A sua potência contínua pode exceder 100 W, enquanto a potência de pico de impulsos pode atingir até 10⁹W. No entanto, devido à preparação complexa do meio ativo, tendem a ser dispendiosos.

(2) Lasers de gás

Os lasers de gás utilizam gases ou vapores metálicos como meio ativo, normalmente contidos num tubo de descarga para gerar iões activos. Os seus principais métodos de excitação incluem o elétrico, o aerodinâmico, o fotónico e o químico, sendo o elétrico o mais comum.

Em condições de descarga adequadas, as partículas de gás são seletivamente excitadas para um nível de energia mais elevado, criando uma inversão do número de partículas entre este e um nível de energia mais baixo, conduzindo a transições de emissão estimuladas. Os lasers de gás podem ser atómicos, iónicos, moleculares ou excimer.

Os lasers de gás molecular utilizam frequentemente CO₂ como meio, emitindo predominantemente comprimentos de onda infravermelhos, que, devido ao seu elevado efeito térmico, são normalmente utilizados em corte a laserOs lasers de excímero são utilizados em aplicações médicas e no processamento mecânico, bem como no alcance e na comunicação. Os lasers de excímero emitem na gama ultravioleta e são utilizados em maquinagem fina, fotolitografia e medicina.

Os lasers de gás caracterizam-se pela sua construção simples, baixo custo, comodidade, boa qualidade do feixe e capacidade de funcionar de forma contínua e estável durante longos períodos. São o tipo de laser mais diversificado e amplamente utilizado.

(3) Lasers líquidos

Os lasers líquidos, também conhecidos como lasers de corantes, utilizam corantes orgânicos como meio ativo dissolvido em solventes como o etanol, a acetona ou a água, mas também podem funcionar sob a forma de vapor. Os corantes orgânicos comuns incluem a rodamina, a cumarina e a ftalocianina, que permitem a geração de diferentes comprimentos de onda laser na gama visível. Os lasers líquidos são frequentemente bombeados opticamente, quer por lasers quer por lâmpadas de flash.

A sua cobertura de comprimento de onda vai do ultravioleta ao infravermelho (321nm a 1,168μm), que pode ser alargada à gama do ultravioleta de vácuo utilizando técnicas de duplicação de frequência. As vantagens dos lasers líquidos incluem uma saída contínua sintonizável numa vasta gama e são principalmente utilizados na investigação científica e na medicina, como a espetroscopia laser, a fotoquímica, a separação de isótopos e a fotobiologia.

(4) Lasers de semicondutores

Os lasers de semicondutores, também conhecidos como díodos laser, utilizam materiais semicondutores como meio ativo. Devido a diferenças estruturais, o processo de geração de laser é bastante singular para vários tipos de materiais semicondutores. Os materiais activos mais comuns incluem o arsenieto de gálio (GaAs), o sulfureto de cádmio (CdS), o fosforeto de índio (InP) e o sulfureto de zinco (ZnS).

Existem três métodos principais de excitação: injeção eléctrica, excitação por feixe de electrões e bombagem ótica. Os lasers de semicondutores são classificados em tipos de homojunção, heterojunção simples e heterojunção dupla. Os lasers de homojunção e de heterojunção simples funcionam geralmente como dispositivos pulsados à temperatura ambiente, enquanto os lasers de heterojunção dupla podem funcionar continuamente à temperatura ambiente.

Os lasers de semicondutores são compactos, têm uma longa vida útil e podem ser facilmente bombeados através de uma simples injeção de corrente. A sua tensão e corrente de funcionamento são compatíveis com circuitos integrados, permitindo a integração monolítica. Além disso, podem ser modulados diretamente em frequências até 50-100 GHz para uma saída laser de alta velocidade.

Devido a estas vantagens, os lasers de semicondutores são amplamente utilizados em aplicações de comunicação por laser, armazenamento ótico, giroscópios ópticos, impressão por laser, localização de distâncias e radar.

(5) Lasers de fibra

Lasers de fibra são um tipo de laser de estado sólido com fibra dopada com terras raras como meio ativo. A fonte de bombeamento de um laser de fibra é constituída por um ou mais conjuntos de díodos laser de alta potência. A luz da bomba emitida é acoplada à fibra dopada com terras raras através de uma estrutura de bombagem especializada. Os fotões no comprimento de onda da bomba são absorvidos pelo meio da fibra dopada, criando uma inversão de população que conduz à emissão estimulada.

As ondas de luz emitidas são reflectidas pelos espelhos do ressonador, oscilando para produzir a saída do laser. Os lasers de fibra têm uma elevada eficiência de acoplamento, podem facilmente atingir uma elevada densidade de potência e têm uma excelente dissipação de calor, eliminando a necessidade de sistemas de arrefecimento volumosos. Apresentam uma elevada eficiência de conversão, limiares baixos, qualidade de feixe superior e larguras de linha estreitas.

Além disso, os lasers de fibra têm uma cavidade de ressonância sem lentes ópticas, o que resulta num funcionamento sem manutenção, numa elevada estabilidade e numa vida útil extremamente longa, superior a 100.000 horas. Como resultado, os lasers de fibra estão gradualmente a substituir outros tipos de lasers em aplicações industriais como corte, marcação e soldadura.