O princípio de trabalho básico de um laser (amplificação de luz por emissão estimulada de radiação) é baseada no fenômeno da emissão estimulada da luz. Através de uma série de projetos e estruturas precisas, os lasers geram vigas com alta coerência, monocromaticidade e brilho. Os lasers são amplamente utilizados na tecnologia moderna, inclusive em áreas como comunicação, medicina, fabricação, medição e pesquisa científica. Sua alta eficiência e características precisas de controle os tornam o componente central de muitas tecnologias. Abaixo está uma explicação detalhada dos princípios de trabalho dos lasers e dos mecanismos de diferentes tipos de lasers.
1. Emissão estimulada
Emissão estimuladaé o princípio fundamental por trás da geração a laser, proposta pela primeira vez por Einstein em 1917. Esse fenômeno descreve como os fótons mais coerentes são produzidos através da interação entre a matéria leve e de estado excitado. Para entender melhor a emissão estimulada, vamos começar com emissão espontânea:
Emissão espontânea: Em átomos, moléculas ou outras partículas microscópicas, os elétrons podem absorver a energia externa (como energia elétrica ou óptica) e transição para um nível de energia mais alto, conhecido como estado excitado. No entanto, os elétrons de estado excitado são instáveis e acabarão retornando a um nível de energia mais baixo, conhecido como estado fundamental, após um curto período. Durante esse processo, o elétron libera um fóton, que é emissão espontânea. Esses fótons são aleatórios em termos de frequência, fase e direção e, portanto, carecem de coerência.
Emissão estimulada: A chave para a emissão estimulada é que, quando um elétron de estado excitado encontra um fóton com uma energia que corresponde à sua energia de transição, o fóton pode levar o elétron a retornar ao estado fundamental enquanto libera um novo fóton. O novo fóton é idêntico ao original em termos de direção de frequência, fase e propagação, resultando em luz coerente. Esse fenômeno amplifica significativamente o número e a energia dos fótons e é o mecanismo central dos lasers.
Efeito de feedback positivo da emissão estimulada: No design de lasers, o processo de emissão estimulado é repetido várias vezes, e esse efeito de feedback positivo pode aumentar exponencialmente o número de fótons. Com a ajuda de uma cavidade ressonante, a coerência dos fótons é mantida e a intensidade do feixe de luz aumenta continuamente.
2. Médio de ganho
Oganho médioé o material central no laser que determina a amplificação de fótons e a saída do laser. É a base física para a emissão estimulada, e suas propriedades determinam a frequência, comprimento de onda e potência de saída do laser. O tipo e as características do meio de ganho afetam diretamente a aplicação e o desempenho do laser.
Mecanismo de excitação: Os elétrons no meio de ganho precisam ser excitados a um nível de energia mais alto por uma fonte de energia externa. Esse processo é geralmente alcançado por sistemas de fornecimento de energia externos. Os mecanismos de excitação comuns incluem:
Bombeamento elétrico: Excitando os elétrons no meio de ganho aplicando uma corrente elétrica.
Bombeamento óptico: Excitando o meio com uma fonte de luz (como uma lâmpada flash ou outro laser).
Sistema de níveis de energia: Os elétrons no meio de ganho são tipicamente distribuídos em níveis de energia específicos. Os mais comuns sãosistemas de dois níveisesistemas de quatro níveis. Em um sistema simples de dois níveis, os elétrons passam do estado fundamental para o estado excitado e depois retornam ao estado fundamental por meio de emissão estimulada. Em um sistema de quatro níveis, os elétrons sofrem transições mais complexas entre diferentes níveis de energia, geralmente resultando em maior eficiência.
Tipos de mídia de ganho:
Meio de ganho de gás: Por exemplo, lasers de helium-neon (He-Ne). Os meios de ganho de gás são conhecidos por sua saída estável e comprimento de onda fixo e são amplamente utilizados como fontes de luz padrão em laboratórios.
Médio de ganho líquido: Por exemplo, lasers de corante. As moléculas de corante têm boas propriedades de excitação em diferentes comprimentos de onda, tornando -os ideais para lasers ajustáveis.
Médio de ganho sólido: Por exemplo, lasers de granada de alumínio do yttrium dopada com neodímio). Esses lasers são altamente eficientes e poderosos e são amplamente utilizados em aplicações industriais de corte, soldagem e médica.
Meio de ganho de semicondutor: Por exemplo, os materiais de arseneto de gálio (GAAs) são amplamente utilizados nos dispositivos de comunicação e optoeletrônicos, como diodos a laser.
3. Cavidade do ressonador
OCavidade do ressonadoré um componente estrutural no laser usado para feedback e amplificação. Sua função principal é melhorar o número de fótons produzidos através da emissão estimulada, refletindo e ampliando -os dentro da cavidade, gerando uma saída de laser forte e focada.
Estrutura da cavidade do ressonador: Geralmente consiste em dois espelhos paralelos. Um é um espelho totalmente reflexivo, conhecido como oespelho traseiro, e o outro é um espelho parcialmente reflexivo, conhecido como oEspelho de saída. Os fótons refletem para frente e para trás na cavidade e são amplificados através da interação com o meio de ganho.
Condição de ressonância: O design da cavidade do ressonador deve atender a certas condições, como garantir que os fótons formem ondas em pé dentro da cavidade. Isso requer que o comprimento da cavidade seja um múltiplo do comprimento de onda do laser. Somente ondas leves que atendem a essas condições podem ser efetivamente amplificadas dentro da cavidade.
Feixe de saída: O espelho parcialmente reflexivo permite que uma parte do feixe de luz amplificado passe, formando o feixe de saída do laser. Este feixe tem alta direcionalidade, coerência e monocromaticidade.
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Hora de postagem: 18-2024 de setembro