Estrutura e princípio de funcionamento do laser. Dispositivos quânticos bombeados opticamente operando de acordo com um “esquema de três níveis”

Os geradores quânticos que emitem na faixa da radiação visível e infravermelha são chamados de lasers. A palavra “laser” é uma abreviatura da expressão: Amplificação de Luz por Emissão Estimulada de Radiação, que significa a amplificação da luz como resultado da emissão induzida ou, como às vezes chamada, estimulada de quanta.

Dispositivo laser

Um laser generalizado consiste em um meio ativo de laser, um sistema de “bombeamento” - uma fonte de tensão e uma cavidade óptica.

O sistema de bombeamento transfere energia para átomos ou moléculas do meio laser, dando-lhes a oportunidade de entrar em um “estado metaestável” excitado, criando uma inversão populacional.

· O bombeamento óptico utiliza fótons fornecidos por uma fonte, como uma lâmpada flash cheia de gás xenônio ou outro laser, para transferir energia para a substância do laser. A fonte óptica deve fornecer fótons que correspondam aos níveis de transição aceitáveis ​​no material do laser.

· O bombeamento de colisão baseia-se na transferência de energia para uma substância laser como resultado de colisões com átomos (ou moléculas) da substância laser. Ao mesmo tempo, também deve ser fornecida energia correspondente às transições permitidas. Isso geralmente é conseguido usando uma descarga elétrica em um gás puro ou em uma mistura de gases em um tubo.

· Os sistemas de bombeamento químico utilizam a energia de ligação liberada como resultado de reações químicas para transformar a substância do laser em um estado metaestável.

Uma cavidade óptica é necessária para fornecer a força desejada no laser e selecionar fótons que se movem na direção desejada. Quando o primeiro átomo ou molécula em estado metaestável de inversão populacional é descarregado, devido à emissão estimulada, ele inicia a descarga de outros átomos ou moléculas em estado metaestável. Se os fótons viajarem em direção às paredes da substância laser, geralmente uma haste ou tubo, eles serão perdidos e o processo de amplificação será interrompido. Embora possam ser refletidos nas paredes da haste ou tubo, mais cedo ou mais tarde serão perdidos do sistema e não contribuirão para a criação da viga.

Por outro lado, se um dos átomos ou moléculas destruídas liberar um fóton paralelo ao eixo da substância laser, ele poderá iniciar a liberação de outro fóton, e ambos serão refletidos por um espelho na extremidade da haste geradora. ou tubo. Os fótons refletidos passam então de volta através da substância, iniciando mais radiação exatamente no mesmo caminho, que é novamente refletido pelos espelhos nas extremidades da substância laser. Enquanto este processo de amplificação continuar, parte da amplificação sempre sairá através do espelho parcialmente reflexivo. À medida que o ganho ou ganho deste processo excede as perdas da cavidade, inicia-se o laser. Assim, um feixe estreito e concentrado de luz coerente é formado. Os espelhos na cavidade óptica do laser devem ser ajustados com precisão para garantir que os raios de luz fiquem paralelos ao eixo. O próprio ressonador óptico, ou seja, a substância do meio não deve absorver fortemente a energia luminosa.

Laser Médio (Material de Laser) – Os lasers são geralmente designados pelo tipo de substância laser usada. Existem quatro desses tipos:

sólido,

Tingir,

Semicondutor.

Os lasers de estado sólido usam material laser distribuído em uma matriz sólida. Os lasers de estado sólido ocupam um lugar único no desenvolvimento de lasers. O primeiro meio laser funcional foi um cristal de rubi rosa (cristal de safira dopado com cromo); desde então, o termo "laser de estado sólido" tem sido geralmente usado para descrever um laser cujo meio ativo é um cristal dopado com impurezas iônicas. Os lasers de estado sólido são dispositivos grandes e de fácil manutenção, capazes de gerar energia de alta potência. A coisa mais notável sobre os lasers de estado sólido é que a potência de saída geralmente não é constante, mas consiste em um grande número de picos de potência individuais.

Um exemplo é o laser de Neodímio-YAG. O termo YAG é a abreviação de cristal: granada de ítrio-alumínio, que serve como transportador de íons de neodímio. Este laser emite um feixe infravermelho com comprimento de onda de 1.064 micrômetros. Além disso, outros elementos dopantes podem ser utilizados, como o érbio (lasers Er:YAG).

Os lasers a gás usam gás ou uma mistura de gases em um tubo. A maioria dos lasers de gás usa uma mistura de hélio e néon (HeNe), com um sinal de saída primário de 6.328 nm (nm = 10-9 metros), vermelho visível. Este laser foi desenvolvido pela primeira vez em 1961 e se tornou o precursor de toda uma família de lasers a gás.

Todos os lasers a gás são bastante semelhantes em design e propriedades. Por exemplo, um laser de gás CO2 emite um comprimento de onda de 10,6 micrômetros na região do infravermelho distante do espectro. Os lasers de gás argônio e criptônio operam em múltiplas frequências, emitindo predominantemente na parte visível do espectro. Os principais comprimentos de onda da radiação laser de argônio são 488 e 514 nm.

Os lasers de corante usam um meio laser que é um corante orgânico complexo em uma solução ou suspensão líquida.

A característica mais significativa desses lasers é a sua “adaptabilidade”. A escolha correta do corante e sua concentração permite que a luz laser seja gerada em uma ampla faixa de comprimentos de onda dentro ou próximo do espectro visível. Os lasers de corante normalmente usam um sistema de excitação óptica, embora alguns tipos de lasers de corante usem excitação química.


Lasers semicondutores (diodo) - consistem em duas camadas de material semicondutor empilhadas juntas. Um diodo laser é um diodo emissor de luz com capacitância óptica para amplificar a luz emitida por uma folga em uma haste semicondutora, conforme mostrado na figura. Eles podem ser ajustados alterando a corrente aplicada, a temperatura ou o campo magnético.

Os diferentes modos de operação do laser são determinados pela frequência na qual a energia é fornecida.

Os lasers de onda contínua (CW) operam com uma potência de feixe média constante.

Os lasers de pulso único normalmente têm durações de pulso que variam de várias centenas de microssegundos a vários milissegundos. Este modo de operação é geralmente chamado de pulso longo ou modo normal.

Os lasers Q-switched de pulso único são o resultado de um atraso intracavitário (célula Q-switched), que permite que o meio laser retenha a energia potencial máxima. Então, nas condições mais favoráveis, são emitidos pulsos únicos, geralmente com um intervalo de tempo de 10 a 8 segundos. Esses pulsos têm alta potência de pico, geralmente na faixa de 106 a 109 watts.

Lasers pulsados, ou lasers de varredura, operam em princípio da mesma forma que os lasers pulsados, mas a uma taxa de pulso fixa (ou variável) que pode variar de alguns pulsos por segundo até 20.000 pulsos por segundo.

Princípio de funcionamento do laser

A base física da operação do laser é o fenômeno da radiação forçada (induzida). A essência do fenômeno é que um átomo excitado é capaz de emitir um fóton sob a influência de outro fóton sem sua absorção, se a energia deste último for igual à diferença nas energias dos níveis do átomo antes e depois do radiação. Neste caso, o fóton emitido é coerente com o fóton que causou a radiação (é a sua “cópia exata”). Desta forma a luz é amplificada. Esse fenômeno difere da emissão espontânea, em que os fótons emitidos possuem direções de propagação, polarização e fase aleatórias.

A probabilidade de um fóton aleatório causar uma emissão estimulada de um átomo excitado é exatamente igual à probabilidade de absorção desse fóton por um átomo em um estado não excitado. Portanto, para amplificar a luz, é necessário que existam no meio mais átomos excitados do que não excitados (a chamada inversão populacional). Em estado de equilíbrio termodinâmico, esta condição não é atendida, portanto são utilizados diversos sistemas de bombeamento do meio ativo do laser (óptico, elétrico, químico, etc.).

A fonte primária de geração é o processo de emissão espontânea, portanto, para garantir a continuidade das gerações de fótons, é necessária a existência de um feedback positivo, devido ao qual os fótons emitidos provocam atos subsequentes de emissão induzida. Para fazer isso, o meio ativo do laser é colocado em uma cavidade óptica. No caso mais simples, consiste em dois espelhos, um dos quais é translúcido - através dele o feixe de laser sai parcialmente do ressonador. Refletindo nos espelhos, o feixe de radiação passa repetidamente pelo ressonador, causando nele transições induzidas. A radiação pode ser contínua ou pulsada. Ao mesmo tempo, utilizando vários dispositivos (prismas rotativos, células Kerr, etc.) para desligar e ligar rapidamente o feedback e assim reduzir o período dos pulsos, é possível criar condições para a geração de radiação de altíssima potência (o os chamados pulsos gigantes). Este modo de operação do laser é denominado modo Q-switched.

A radiação gerada por um laser é monocromática (um ou um conjunto discreto de comprimentos de onda), pois a probabilidade de emissão de um fóton de determinado comprimento de onda é maior que a de um fóton próximo, associada ao alargamento da linha espectral, e consequentemente, a probabilidade de transições induzidas nesta frequência também tem um máximo. Portanto, gradualmente durante o processo de geração, os fótons de um determinado comprimento de onda dominarão todos os outros fótons. Além disso, devido ao arranjo especial dos espelhos, apenas os fótons que se propagam em uma direção paralela ao eixo óptico do ressonador a uma curta distância dele são retidos no feixe de laser; os fótons restantes deixam rapidamente o volume do ressonador. Assim, o feixe de laser possui um ângulo de divergência muito pequeno. Finalmente, o feixe de laser possui uma polarização estritamente definida. Para fazer isso, várias polaróides são introduzidas no ressonador, por exemplo, podem ser placas de vidro planas instaladas em um ângulo de Brewster em relação à direção de propagação do feixe de laser.


Aplicações de lasers

radiação do gerador quântico a laser

Desde a sua invenção, os lasers estabeleceram-se como “soluções prontas para problemas ainda desconhecidos”. Devido às propriedades únicas da radiação laser, elas são amplamente utilizadas em diversos ramos da ciência e tecnologia, bem como na vida cotidiana (CD players, impressoras a laser, leitores de código de barras, ponteiros laser, etc.). Na indústria, os lasers são utilizados para cortar, soldar e soldar peças de diversos materiais. A alta temperatura da radiação permite soldar materiais que não podem ser soldados por métodos convencionais (por exemplo, cerâmica e metal). O feixe de laser pode ser focado em um ponto com diâmetro da ordem de um mícron, o que possibilita sua utilização em microeletrônica (a chamada marcação a laser). Os lasers são utilizados para obter revestimentos superficiais de materiais (ligas a laser, revestimentos a laser, deposição a laser a vácuo) a fim de aumentar sua resistência ao desgaste. A marcação a laser de desenhos industriais e a gravação de produtos feitos de diversos materiais também são amplamente utilizadas. Durante o processamento a laser de materiais, não há impacto mecânico sobre eles, portanto ocorrem apenas pequenas deformações. Além disso, todo o processo tecnológico pode ser totalmente automatizado. O processamento a laser é, portanto, caracterizado por alta precisão e produtividade.

Laser semicondutor usado na unidade de geração de imagem de uma impressora Hewlett-Packard.

Os lasers são usados ​​​​na holografia para criar hologramas e obter uma imagem holográfica tridimensional. Alguns lasers, como os lasers de corante, são capazes de gerar luz monocromática de quase qualquer comprimento de onda, e os pulsos de radiação podem atingir 10-16 s e, portanto, enormes potências (os chamados pulsos gigantes). Essas propriedades são utilizadas em espectroscopia, bem como no estudo de efeitos ópticos não lineares. Usando um laser, foi possível medir a distância até a Lua com precisão de vários centímetros. O alcance a laser de objetos espaciais esclareceu o significado da constante astronômica e contribuiu para o refinamento dos sistemas de navegação espacial, ampliando a compreensão da estrutura da atmosfera e da superfície dos planetas do Sistema Solar. Em telescópios astronômicos equipados com sistema óptico adaptativo para correção de distorções atmosféricas, lasers são usados ​​para criar estrelas-guia artificiais nas camadas superiores da atmosfera.

Pulsos de laser ultracurtos são usados ​​na química do laser para desencadear e analisar reações químicas. Aqui, a radiação laser permite localização precisa, dosagem, esterilidade absoluta e alta velocidade de entrada de energia no sistema. Atualmente, vários sistemas de resfriamento a laser estão sendo desenvolvidos e estão sendo consideradas as possibilidades de implementação de fusão termonuclear controlada usando lasers (o laser mais adequado para pesquisas na área de reações termonucleares seria um laser usando comprimentos de onda na parte azul do espectro visível ). Os lasers também são usados ​​para fins militares, por exemplo, como orientação e auxílio à mira. Estão sendo consideradas opções para a criação de sistemas de defesa de combate aéreos, marítimos e terrestres baseados em lasers de alta potência.

Na medicina, os lasers são usados ​​​​como bisturis sem sangue e no tratamento de doenças oftálmicas (catarata, descolamento de retina, correção da visão a laser, etc.). Eles também são amplamente utilizados em cosmetologia (depilação a laser, tratamento de defeitos vasculares e pigmentados da pele, peeling a laser, remoção de tatuagens e manchas senis). Atualmente, a chamada comunicação a laser está se desenvolvendo rapidamente. Sabe-se que quanto maior a frequência portadora de um canal de comunicação, maior será o seu rendimento. Portanto, as comunicações de rádio tendem a se mover para comprimentos de onda cada vez mais curtos. O comprimento de onda da luz é, em média, seis ordens de magnitude menor que o comprimento de onda da faixa de rádio, de modo que a radiação laser pode transmitir uma quantidade muito maior de informações. A comunicação do laser é realizada através de estruturas de guia de luz abertas e fechadas, por exemplo, fibra óptica. Devido ao fenômeno da reflexão interna total, a luz pode se propagar através dela por longas distâncias, praticamente sem enfraquecimento.

Produção cotidiana e atividades científicas. Com o passar dos anos, esta “ferramenta” será cada vez mais aprimorada e, ao mesmo tempo, o escopo dos lasers se expandirá continuamente. O ritmo crescente de investigação no domínio da tecnologia laser está a abrir a possibilidade de criação de novos tipos de lasers com características significativamente melhoradas, permitindo-lhes expandir as suas áreas de aplicação em...




Não apenas para materiais particularmente duros, mas também para materiais caracterizados por maior fragilidade. A furadeira a laser revelou-se não apenas uma “ferramenta” poderosa, mas também muito delicada. Exemplo: o uso de um laser ao fazer furos em substratos de cavacos feitos de cerâmica de alumina. A cerâmica é extraordinariamente frágil. Por esta razão, a perfuração mecânica de furos no substrato do cavaco...

O laser consiste necessariamente em três componentes principais:

1) meio ativo, em que são criados estados com inversão populacional;

2) sistemasbombeando− dispositivos para criação de inversão no meio ativo;

3) ópticosobre o ressonador− um dispositivo que determina a direção do feixe de fótons.

Além disso, o ressonador óptico é projetado para amplificação múltipla da radiação laser.

Atualmente como ativo (trabalhando) ambiente os lasers usam diferentes estados agregados da matéria: sólido, líquido, gasoso, plasma.

Para criar uma população inversa do ambiente do laser, vários métodos de bombeamento . O laser pode ser bombeado continuamente ou pulsado. No modo de longo prazo (contínuo), a potência da bomba introduzida no meio ativo é limitada pelo superaquecimento do meio ativo e fenômenos relacionados. No modo de pulso único, é possível introduzir significativamente mais energia no meio ativo do que durante o mesmo tempo no modo contínuo. Isso resulta em maior potência de um único pulso.


Laser- esta é uma fonte de luz com propriedades que diferem nitidamente de todas as outras fontes (lâmpadas incandescentes, lâmpadas fluorescentes, chamas, luminárias naturais e assim por diante). O feixe de laser possui diversas propriedades notáveis. Ele se espalha por longas distâncias e tem uma direção estritamente linear. O feixe se move em um feixe muito estreito e com baixo grau de divergência (atinge a Lua com foco de centenas de metros). O feixe de laser tem grande calor e pode perfurar qualquer material. A intensidade da luz do feixe é maior que a intensidade das fontes de luz mais fortes.
Nome laseré uma abreviatura da frase em inglês: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER). amplificação de luz usando emissão estimulada.
Todos os sistemas de laser podem ser divididos em grupos dependendo do tipo de meio ativo utilizado. Os tipos mais importantes de lasers são:

  • Estado sólido
  • semicondutor
  • líquido
  • gás
    Um meio ativo é um conjunto de átomos, moléculas, íons ou um cristal (laser semicondutor), que sob a influência da luz pode adquirir propriedades amplificadoras.

    Portanto, cada átomo possui um conjunto discreto de níveis de energia. Os elétrons de um átomo localizado no estado fundamental (estado com energia mínima), ao absorver quanta de luz, passam para um nível de energia superior - o átomo é excitado; Quando um quantum de luz é emitido, acontece o oposto. Além disso, a emissão de luz, ou seja, a transição para um nível de energia inferior (Fig. 1b), pode ocorrer de forma espontânea (espontânea) ou sob a influência de radiação externa (forçada) (Fig. 1c). Além disso, se os quanta de radiação espontânea são emitidos em direções aleatórias, então um quantum de radiação estimulada é emitido na mesma direção do quantum que causou essa radiação, ou seja, ambos os quanta são completamente idênticos.

    Fig.1 Tipos de radiação laser

    Para que as transições em que ocorre a emissão de energia (transições de um nível de energia superior para um inferior) prevaleçam, é necessário criar uma concentração aumentada de átomos ou moléculas excitadas (para criar uma inversão populacional). Isso levará a um aumento na luz incidente na substância. O estado de uma substância no qual uma população inversa de níveis de energia é criada é chamado de ativo, e um meio que consiste em tal substância é chamado de meio ativo.

    O processo de criação de uma população inversa de níveis é chamado de bombeamento. E outra classificação dos lasers é feita de acordo com o método de bombeamento (óptico, térmico, químico, elétrico, etc.). Os métodos de bombeamento dependem do tipo de laser (estado sólido, líquido, gás, semicondutor, etc.).
    A principal tarefa do processo de bombeamento pode ser considerada usando o exemplo de um laser de três níveis (Fig. 2)


    Figura 2 diagrama de um laser de três níveis

    O nível inferior do laser I com energia E1 é o principal nível de energia do sistema, no qual todos os átomos ativos estão inicialmente localizados. O bombeamento excita os átomos e, consequentemente, os transfere do nível fundamental I para o nível III, com energia E3. Os átomos que se encontram no nível III emitem quanta de luz e passam para o nível I, ou passam rapidamente para o nível II do laser superior. Para que ocorra o acúmulo de átomos excitados no laser de nível II superior, com energia E2, é necessário que haja um rápido relaxamento dos átomos do nível III para II, que deve exceder a taxa de decaimento do laser de nível II superior. A população invertida assim criada proporcionará condições para amplificação da radiação.

    Porém, para que a geração ocorra, ainda é necessário fornecer feedback, ou seja, para que a emissão estimulada, uma vez surgida, provoque novos atos de emissão estimulada. Para criar tal processo, o meio ativo é colocado em um ressonador óptico.

    Um ressonador óptico é um sistema de dois espelhos, entre os quais está localizado o meio ativo (Fig. 3). Ele fornece múltiplas origens de ondas de luz que se propagam ao longo de seu eixo através do meio amplificador, como resultado do qual é alcançada uma alta potência de radiação.


    Fig.3 Diagrama de laser

    Quando uma certa potência é atingida, a radiação sai através de um espelho translúcido. Devido à participação no desenvolvimento da geração apenas daquela parte dos quanta paralela ao eixo do ressonador, a eficiência. lasers geralmente não excede 1%. Em alguns casos, sacrificando certas características, a eficiência. pode ser aumentado para 30%.

    • O diagrama mostra: 1 - meio ativo; 2 - energia da bomba laser; 3 - espelho opaco; 4 - espelho translúcido; 5 - feixe de laser.

    Todos os lasers consistem em três partes principais:

      ambiente ativo (de trabalho);

      sistemas de bombeamento (fonte de energia);

      ressonador óptico (pode estar ausente se o laser operar no modo amplificador).

    Cada um deles garante que o laser desempenhe suas funções específicas.

    Ambiente ativo

    Atualmente, vários estados agregados da matéria são usados ​​​​como meio de trabalho de um laser: sólido, líquido, gasoso, plasma. No estado normal, o número de átomos localizados em níveis de energia excitados é determinado pela distribuição de Boltzmann:

    Aqui N- o número de átomos em estado excitado com energia E, N 0 - número de átomos no estado fundamental, k- Constante de Boltzmann, T- Temperatura ambiente. Em outras palavras, há menos átomos no estado excitado do que no estado fundamental, portanto, a probabilidade de um fóton se propagar através do meio causar emissão estimulada também é pequena em comparação com a probabilidade de sua absorção. Portanto, uma onda eletromagnética, ao passar por uma substância, gasta sua energia para excitar átomos. A intensidade da radiação diminui de acordo com a lei de Bouguer:

    Aqui EU 0 - intensidade inicial, EU l é a intensidade da radiação que percorre a distância eu em questão a 1 é a taxa de absorção da substância. Como a dependência é exponencial, a radiação é absorvida muito rapidamente.

    No caso em que o número de átomos excitados é maior que os não excitados (ou seja, em estado de inversão populacional), a situação é exatamente oposta. Os atos de emissão estimulada prevalecem sobre a absorção, e a radiação aumenta conforme a lei:

    Onde a 2 - fator de ganho quântico. Em lasers reais, a amplificação ocorre até que a quantidade de energia recebida devido à emissão estimulada se torne igual à quantidade de energia perdida no ressonador. Estas perdas estão associadas à saturação do nível metaestável da substância de trabalho, após o que a energia do bombeamento é utilizada apenas para aquecê-la, bem como à presença de muitos outros fatores (dispersão por heterogeneidades do meio, absorção por impurezas, imperfeição dos espelhos refletores, radiação útil e indesejada no meio ambiente, etc.).

    Sistema de bombeamento

    Vários mecanismos são usados ​​para criar inversão populacional no ambiente do laser. Nos lasers de estado sólido, a buzina é obtida por meio da irradiação com poderosas lâmpadas flash de descarga de gás, radiação solar focada (o chamado bombeamento óptico) e radiação de outros lasers (em particular, lasers semicondutores). Neste caso, o funcionamento só é possível em modo pulsado, uma vez que são necessárias densidades de energia de bombeamento muito elevadas, que, com exposição prolongada, provocam forte aquecimento e destruição da haste da substância de trabalho. Lasers de gás e líquido usam bombeamento de descarga elétrica. Esses lasers operam em modo contínuo. Bombeando lasers químicos ocorre através da ocorrência de reações químicas em seu meio ativo. Neste caso, a inversão populacional ocorre diretamente nos produtos da reação ou em impurezas especialmente introduzidas com uma estrutura adequada de níveis de energia. O bombeamento de lasers semicondutores ocorre sob a influência de uma forte corrente direta através da junção pn, bem como de um feixe de elétrons. Existem outros métodos de bombeamento (gasodinâmico, que envolve resfriamento acentuado de gases pré-aquecidos; fotodissociação, um caso especial de bombeamento químico, etc.).

    Na figura: a - circuitos de bombeamento de três níveis eb - quatro níveis para o meio ativo do laser.

    O sistema clássico de três níveis para bombear o meio de trabalho é usado, por exemplo, em um laser de rubi. Ruby é um cristal de corindo Al 2 O 3 dopado com uma pequena quantidade de íons de cromo Cr 3+, que são a fonte da radiação laser. Devido à influência do campo elétrico da rede cristalina do corindo, o nível de energia externa do cromo E 2 é dividido (ver efeito Stark). É isso que permite utilizar a radiação não monocromática como bombeamento. Neste caso, o átomo passa do estado fundamental com energia E 0 em animado com energia sobre E 2. Um átomo pode permanecer neste estado por um tempo relativamente curto (cerca de 10-8 s); uma transição não radiativa para o nível ocorre quase imediatamente E 1, onde um átomo pode permanecer por muito mais tempo (até 10 −3 s), este é o chamado nível metaestável. Surge a possibilidade de radiação induzida sob a influência de outros fótons aleatórios. Assim que houver mais átomos no estado metaestável do que no estado principal, o processo de geração começa.

    Deve-se notar que para criar uma inversão populacional de átomos de cromo Cr usando bombeamento diretamente do nível E 0 por nível E 1 não é possível. Isto se deve ao fato de que se a absorção e a emissão estimulada ocorrem entre dois níveis, então ambos os processos ocorrem na mesma taxa. Portanto, neste caso, o bombeamento só consegue equalizar as populações de dois níveis, o que não é suficiente para que ocorra o lasing.

    Alguns lasers, por exemplo os lasers de neodímio, nos quais a radiação é gerada usando íons Nd 3+ de neodímio, usam um esquema de bombeamento de quatro níveis. Aqui entre metaestável E 2 e nível principal E 0 existe um nível intermediário - de trabalho E 1. A emissão estimulada ocorre quando um átomo transita entre níveis E 2 e E 1. A vantagem deste esquema é que neste caso é fácil satisfazer a condição de inversão populacional, uma vez que o tempo de vida do nível operacional superior é ( E 2) várias ordens de grandeza maiores que a vida útil do nível inferior ( E 1). Isto reduz significativamente os requisitos para a fonte da bomba. Além disso, tal esquema permite criar lasers de alta potência operando em modo contínuo, o que é muito importante para algumas aplicações. No entanto, tais lasers têm uma desvantagem significativa na forma de baixa eficiência quântica, que é definida como a razão entre a energia do fóton emitido e a energia do fóton da bomba absorvido (η quantum = radiação hν / bomba hν)

    É difícil hoje em dia encontrar uma pessoa que nunca tenha ouvido a palavra "laser", no entanto, muito poucos entendem claramente o que é.

    No meio século desde a sua invenção, vários tipos de lasers encontraram aplicação em uma ampla gama de áreas, da medicina à tecnologia digital. Então, o que é um laser, qual é o seu princípio de funcionamento e para que serve?

    O que é um laser?

    A possibilidade da existência de lasers foi prevista por Albert Einstein, que em 1917 publicou um artigo falando sobre a possibilidade de elétrons emitirem quanta de luz de determinado comprimento. Esse fenômeno foi denominado emissão estimulada, mas por muito tempo foi considerado irrealizável do ponto de vista técnico.

    Porém, com o desenvolvimento das capacidades técnicas e tecnológicas, a criação de um laser tornou-se uma questão de tempo. Em 1954, os cientistas soviéticos N. Basov e A. Prokhorov receberam o Prêmio Nobel pela criação de um maser - o primeiro gerador de microondas movido a amônia. E em 1960, o americano T. Maiman produziu o primeiro gerador quântico de feixes ópticos, que chamou de laser (Amplificação de Luz por Emissão Estimulada de Radiação). O dispositivo converte energia em radiação óptica de direção estreita, ou seja, feixe de luz, um fluxo de quanta de luz (fótons) de alta concentração.

    Princípio de funcionamento do laser

    O fenômeno no qual se baseia o funcionamento de um laser é denominado radiação forçada ou induzida do meio. Os átomos de uma determinada substância podem emitir fótons sob a influência de outros fótons, e a energia do fóton atuante deve ser igual à diferença entre os níveis de energia do átomo antes e depois da radiação.

    O fóton emitido é coerente com aquele que causou a radiação, ou seja, exatamente como o primeiro fóton. Como resultado, o fraco fluxo de luz no meio é amplificado, e não de forma caótica, mas em uma determinada direção. É formado um feixe de radiação estimulada, denominado laser.

    Classificação a laser

    À medida que a natureza e as propriedades dos lasers foram estudadas, vários tipos desses raios foram descobertos. Dependendo do estado da substância inicial, os lasers podem ser:

    • gás;
    • líquido;
    • Estado sólido;
    • em elétrons livres.



    Atualmente, vários métodos foram desenvolvidos para produzir um feixe de laser:

    • uso de incandescência elétrica ou descarga de arco em ambiente gasoso - descarga de gás;
    • utilizando a expansão do gás quente e a criação de inversões populacionais - gasodinâmicas;
    • passando corrente por um semicondutor com excitação do meio - diodo ou injeção;
    • por bombeamento óptico do meio com lâmpada flash, LED, outro laser, etc.;
    • por bombeamento de feixe de elétrons do meio;
    • bombeamento nuclear quando a radiação vem de um reator nuclear;
    • usando reações químicas especiais - lasers químicos.

    Todos eles possuem características e diferenças próprias, graças às quais são utilizados em diversos ramos da indústria.

    Uso prático de lasers

    Hoje, lasers de vários tipos são utilizados em dezenas de indústrias, medicina, tecnologias de TI e outros campos de atividade. Com a ajuda deles, é realizado o seguinte:

    • corte e soldagem de metais, plásticos e outros materiais;
    • aplicação de imagens, inscrições e marcação na superfície dos produtos;
    • perfuração de furos ultrafinos, usinagem de precisão de peças de cristal semicondutor;
    • formação de revestimentos de produtos por pulverização, revestimento, ligas de superfície, etc.;
    • transmissão de pacotes de informações em fibra de vidro;
    • realização de operações cirúrgicas e outras intervenções terapêuticas;
    • procedimentos cosméticos para rejuvenescimento da pele, remoção de formações defeituosas, etc.;
    • visando vários tipos de armas, desde armas pequenas até mísseis;
    • criação e utilização de métodos holográficos;
    • aplicação em diversos trabalhos de pesquisa;
    • medição de distâncias, coordenadas, densidade do meio de trabalho, velocidade de fluxo e muitos outros parâmetros;
    • lançar reações químicas para realizar diversos processos tecnológicos.



    Existem muitas outras áreas nas quais os lasers já são usados ​​ou encontrarão aplicação num futuro muito próximo.