Tipos de laser 101: seu guia para classificações de laser

Os lasers podem ser classificados de várias maneiras, normalmente por meio ativo, método de excitação, modo de saída e faixa de comprimento de onda.

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

Além disso, os lasers podem ser categorizados por sua saída como onda contínua ou pulsada.

(1) Lasers de estado sólido

Os lasers de estado sólido usam materiais como rubi, vidro de neodímio e granada de ítrio e alumínio (YAG), nos quais uma pequena quantidade de íons é dopada uniformemente no cristal ou vidro hospedeiro. Os íons dopados, conhecidos como íons ativos, são responsáveis pelas emissões do laser. Os íons de metais de transição, como o cromo (Cr³⁺) e íons de metais de terras raras, como o neodímio (Nd³⁺) e érbio podem servir como íons ativos.

Em geral, esses lasers são excitados por luz, com fontes de luz pulsada comuns, incluindo lâmpadas de xenônio e fontes contínuas, como lâmpadas de arco de criptônio, lâmpadas de tungstênio de iodo e lâmpadas de rubídio de potássio. Em lasers pequenos e de longa duração, os diodos emissores de luz ou a luz solar podem ser usados como fonte de excitação. Alguns novos lasers de estado sólido também são excitados por outros lasers.

Os lasers de estado sólido apresentam tamanho compacto, robustez, facilidade de uso e alta potência de saída. Sua potência contínua pode exceder 100 W, enquanto a potência de pico de pulso pode chegar a 10⁹W. No entanto, devido à complexa preparação do meio ativo, eles tendem a ser caros.

(2) Lasers de gás

Os lasers de gás utilizam gases ou vapores metálicos como meio ativo, normalmente contidos em um tubo de descarga para gerar íons ativos. Seus principais métodos de excitação incluem elétrico, aerodinâmico, fotônico e químico, sendo o elétrico o mais comum.

Sob condições adequadas de descarga, as partículas de gás são seletivamente excitadas para um nível de energia mais alto, criando uma inversão do número de partículas entre esse nível e um nível de energia mais baixo, levando a transições de emissão estimuladas. Os lasers de gás podem ser atômicos, iônicos, moleculares ou excimer.

Os lasers de gás molecular geralmente usam CO₂ como meio, emitindo predominantemente comprimentos de onda infravermelhos, que, devido ao seu alto efeito térmico, são comumente usados em corte a laserOs lasers de excímero são usados em aplicações médicas e processamento mecânico, bem como para alcance e comunicação. Os lasers Excimer emitem na faixa ultravioleta e são usados em usinagem fina, fotolitografia e medicina.

Os lasers a gás são caracterizados por sua construção simples, baixo custo, praticidade, boa qualidade de feixe e capacidade de operar de forma contínua e estável por longos períodos. Eles são o tipo de laser mais diversificado e amplamente utilizado.

(3) Lasers líquidos

Os lasers líquidos, também conhecidos como lasers de corante, usam corantes orgânicos como meio ativo dissolvido em solventes como etanol, acetona ou água, mas também podem operar na forma de vapor. Os corantes orgânicos comuns incluem rodamina, cumarina e ftalocianina, que permitem a geração de diferentes comprimentos de onda de laser dentro da faixa visível. Os lasers líquidos geralmente são bombeados opticamente, seja por lasers ou lâmpadas de flash.

Sua cobertura de comprimento de onda varia de ultravioleta a infravermelho (321nm a 1,168μm), que pode ser estendida para a faixa de ultravioleta a vácuo usando técnicas de duplicação de frequência. As vantagens dos lasers líquidos incluem saída contínua sintonizável em uma ampla faixa e são usados principalmente em pesquisa científica e medicina, como espectroscopia a laser, fotoquímica, separação de isótopos e fotobiologia.

(4) Lasers semicondutores

Os lasers de semicondutores, também conhecidos como diodos de laser, utilizam materiais semicondutores como meio ativo. Devido às diferenças estruturais, o processo de geração de laser é bastante exclusivo para vários tipos de materiais semicondutores. Entre os materiais ativos comuns estão o arseneto de gálio (GaAs), o sulfeto de cádmio (CdS), o fosfeto de índio (InP) e o sulfeto de zinco (ZnS).

Há três métodos principais de excitação: injeção elétrica, excitação por feixe de elétrons e bombeamento óptico. Os lasers semicondutores são categorizados em tipos de homojunção, heterojunção simples e heterojunção dupla. Os lasers de homojunção e de heterojunção simples geralmente operam como dispositivos pulsados em temperatura ambiente, enquanto os lasers de heterojunção dupla podem operar continuamente em temperatura ambiente.

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

Devido a essas vantagens, os lasers semicondutores são amplamente usados em aplicações de comunicação a laser, armazenamento óptico, giroscópios ópticos, impressão a laser, localização de alcance 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 consiste em um ou mais conjuntos de diodos de laser de alta potência. A luz da bomba emitida é acoplada à fibra dopada com terras raras por meio de uma estrutura de bombeamento especializada. Os fótons no comprimento de onda da bomba são absorvidos pelo meio da fibra dopada, criando uma inversão de população que leva à emissão estimulada.

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

Além disso, os lasers de fibra têm uma cavidade de ressonador sem lentes ópticas, o que resulta em uma operação sem manutenção, alta estabilidade e vida útil extremamente longa, superior a 100.000 horas. Como resultado, os lasers de fibra estão substituindo gradualmente outros tipos de lasers em aplicações industriais, como corte, marcação e soldagem.