Como criar um feixe de laser

Ao aproveitar o poder da luz por meio dos lasers, você pode usá-los para uma variedade de propósitos e entendê-los melhor estudando a física e a química subjacentes que os fazem funcionar.

Geralmente, um laser é produzido por um material laser, seja sólido, líquido ou gasoso, que emite radiação na forma de luz. Como um acrônimo para "amplificação de luz por emissão estimulada de radiação", o método de emissões estimuladas mostra como os lasers diferem de outras fontes de radiação eletromagnética. Saber como essas frequências de luz emergem pode permitir que você aproveite seu potencial para vários usos.

Lasers podem ser definidos como um dispositivo que ativa elétrons para emitir radiação eletromagnética. Essa definição de laser significa que a radiação pode assumir a forma de qualquer tipo no espectro eletromagnético, desde ondas de rádio até raios gama.

Geralmente, a luz dos lasers viaja por um caminho estreito, mas os lasers com uma ampla gama de ondas emitidas também são possíveis. Por meio dessas noções de lasers, você pode pensar neles como ondas, exatamente como as ondas do mar na praia.

Os cientistas descreveram os lasers em termos de sua coerência, um recurso que descreve se a diferença de fase entre dois sinais está em passo e se eles têm a mesma frequência e forma de onda. Se você imaginar os lasers como ondas com picos, vales e vales, a diferença de fase seria como quanto uma onda não está em sincronia com a outra ou a que distância as duas ondas estariam sobreposição.

A frequência da luz é quantos picos de onda passam por um determinado ponto em um segundo, e o comprimento de onda é o comprimento total de uma única onda de fundo a vale ou de pico a pico.

Os fótons, partículas quânticas individuais de energia, constituem a radiação eletromagnética de um laser. Esses pacotes quantizados significam que a luz de um laser sempre tem a energia como um múltiplo da energia de um único fóton e que vem nesses "pacotes" quânticos. Isso é o que faz as ondas eletromagnéticas semelhante a uma partícula.

Muitos tipos de dispositivos emitem lasers, como cavidades ópticas. São câmaras que refletem a luz de um material que emite radiação eletromagnética de volta para si mesmo. Geralmente são feitos de dois espelhos, um em cada extremidade do material, de forma que, ao refletirem a luz, os feixes de luz se tornam mais fortes. Esses sinais amplificados saem por uma lente transparente na extremidade da cavidade do laser.

Quando na presença de uma fonte de energia, como uma bateria externa que fornece corrente, o material que emite radiação eletromagnética emite a luz do laser em vários estados de energia. Esses níveis de energia, ou níveis quânticos, dependem do próprio material de origem. Os estados de energia mais alta dos elétrons no material têm maior probabilidade de ser instáveis ​​ou em estados excitados, e o laser os emitirá por meio de sua luz.

Ao contrário de outras luzes, como a luz de uma lanterna, os lasers emitem luz em etapas periódicas consigo mesmo. Isso significa que a crista e o vale de cada onda de um laser se alinham com as das ondas que vêm antes e depois, tornando sua luz coerente.

Os lasers são projetados dessa forma, de modo que emitem luz de frequências específicas do espectro eletromagnético. Em muitos casos, essa luz assume a forma de feixes estreitos e discretos que os lasers emitem em frequências precisas, mas alguns lasers emitem faixas amplas e contínuas de luz.

Uma característica de um laser alimentado por uma fonte de energia externa que pode ocorrer é uma inversão de população. Esta é uma forma de emissão estimulada e ocorre quando o número do número de partículas em um estado excitado supera o número de partículas em um estado de energia de nível inferior.

Quando o laser atinge a inversão da população, a quantidade dessa emissão estimulada que a luz pode criar será maior do que a quantidade de absorção dos espelhos. Isso cria um amplificador óptico e, se você colocar um dentro de uma cavidade óptica ressonante, criou um oscilador de laser.

Esses métodos de excitação e emissão de elétrons formam a base para os lasers serem uma fonte de energia, um princípio do laser encontrado em muitos usos. Os níveis quantizados que os elétrons podem ocupar variam desde os de baixa energia, que não requerem muita energia para serem liberados, até as partículas de alta energia que ficam próximas e próximas do núcleo. Quando o elétron é liberado devido à colisão dos átomos entre si na orientação e nível de energia corretos, esta é uma emissão espontânea.

Quando ocorre a emissão espontânea, o fóton emitido pelo átomo tem fase e direção aleatórias. Isso ocorre porque o Princípio da Incerteza impede que os cientistas saibam tanto a posição quanto o momento de uma partícula com precisão perfeita. Quanto mais você sabe sobre a posição de uma partícula, menos sabe sobre seu momento e vice-versa.

Você pode calcular a energia dessas emissões usando a equação de Planck

por uma energiaEem joules, frequênciaνdo elétron em s^-1 e constante de Planckh​ = ​6.63 × 10^-34 m² kg / s.A energia que um fóton tem ao ser emitido de um átomo também pode ser calculada como uma mudança na energia. Para encontrar a frequência associada a esta mudança na energia, calculeνusando os valores de energia desta emissão.

Dada a ampla gama de usos dos lasers, eles podem ser categorizados com base na finalidade, tipo de luz ou até mesmo nos próprios materiais dos lasers. Encontrar uma maneira de categorizá-los precisa levar em conta todas essas dimensões dos lasers. Uma forma de agrupá-los é pelo comprimento de onda da luz que usam.

O comprimento de onda da radiação eletromagnética de um laser determina a frequência e a força da energia que eles usam. Um comprimento de onda maior se correlaciona com uma quantidade menor de energia e uma frequência menor. Em contraste, uma frequência maior de um feixe de luz significa que ele tem mais energia.

Você também pode agrupar lasers pela natureza do material do laser. Os lasers de estado sólido usam uma matriz sólida de átomos, como o neodímio, usado no cristal de ítrio e alumínio granada que abriga os íons de neodímio para esses tipos de laser. Os lasers de gás usam uma mistura de gases em um tubo como o hélio e o néon que criam uma cor vermelha. Os lasers de corante são criados por materiais corantes orgânicos em soluções ou suspensões líquidas

Os lasers de corante usam um meio de laser que geralmente é um corante orgânico complexo em solução ou suspensão líquida. Os lasers semicondutores usam duas camadas de material semicondutor que podem ser incorporadas em matrizes maiores. Semicondutores são materiais que conduzem eletricidade usando a força entre um isolante e um condutor que usam pequenas quantidades de impurezas, ou produtos químicos introduzidos, por causa de produtos químicos introduzidos ou mudanças em temperatura.

Para todos os seus diferentes usos, todos os lasers usam esses dois componentes de uma fonte de luz na forma de sólido, líquido ou gás que emite elétrons e algo para estimular essa fonte. Pode ser outro laser ou a emissão espontânea do próprio material do laser.

Alguns lasers usam sistemas de bombeamento, métodos de aumentar a energia das partículas no meio laser que as permitem atingir seus estados excitados para fazer a inversão da população. Uma lâmpada de flash a gás pode ser usada no bombeamento óptico que transporta energia para o material do laser. Nos casos em que a energia do material do laser depende de colisões dos átomos dentro do material, o sistema é conhecido como bombeamento de colisão.

Os componentes de um feixe de laser também variam em quanto tempo levam para fornecer energia. Os lasers de onda contínua usam uma potência de feixe média estável. Com sistemas de alta potência, geralmente você pode ajustar a potência, mas, com lasers de gás de baixa potência, como os lasers de hélio-neon, o nível de potência é fixado com base no conteúdo do gás.

O laser de hélio-neon foi o primeiro sistema de onda contínua e é conhecido por emitir uma luz vermelha. Historicamente, eles usavam sinais de radiofrequência para excitar seu material, mas hoje usam uma pequena descarga de corrente contínua entre eletrodos no tubo do laser.

Quando os elétrons do hélio são excitados, eles liberam energia para os átomos de neon por meio de colisões que criam uma inversão populacional entre os átomos de neon. O laser de hélio-neon também pode funcionar de maneira estável em altas frequências. É usado no alinhamento de dutos, levantamento topográfico e em raios-X.

Três gases nobres, argônio, criptônio e xenônio, mostraram uso em aplicações de laser em dezenas de frequências de laser que vão do ultravioleta ao infravermelho. Você também pode misturar esses três gases entre si para produzir frequências e emissões específicas. Esses gases em suas formas iônicas permitem que seus elétrons sejam excitados colidindo uns com os outros até atingirem a inversão populacional.

Muitos designs desses tipos de lasers permitem que você selecione um determinado comprimento de onda para que a cavidade emita para atingir as frequências desejadas. Manipular o par de espelhos dentro da cavidade também permite isolar frequências singulares de luz. Os três gases, argônio, criptônio e xenônio, permitem que você escolha entre muitas combinações de frequências de luz.

Esses lasers produzem saídas altamente estáveis ​​e não geram muito calor. Esses lasers mostram os mesmos princípios químicos e físicos usados ​​em faróis, bem como lâmpadas elétricas brilhantes, como estroboscópios.

Os lasers de dióxido de carbono são os mais eficientes e eficazes dos lasers de onda contínua. Eles funcionam usando uma corrente elétrica em um tubo de plasma que contém gás dióxido de carbono. As colisões de elétrons excitam essas moléculas de gás que então emitem energia. Você também pode adicionar nitrogênio, hélio, xenônio, dióxido de carbono e água para produzir diferentes frequências de laser.

Ao observar os tipos de laser que podem ser usados ​​em áreas diferentes, você pode determinar quais podem criar grandes quantidades de energia porque eles têm uma alta taxa de eficiência, de modo que usam uma proporção significativa da energia fornecida a eles, sem perder muito desperdício. Enquanto os lasers de hélio-néon têm uma taxa de eficiência de menos de 0,1%, a taxa para lasers de dióxido de carbono é cerca de 30 por cento, 300 vezes a dos lasers de hélio-néon. Apesar disso, os lasers de dióxido de carbono precisam de um revestimento especial, ao contrário dos lasers de hélio-neon, para refletir ou transmitir suas frequências apropriadas.

Os lasers de excimer usam luz ultravioleta (UV) que, quando inventada em 1975, tentou criar um feixe de laser focado para precisão em microcirurgia e microlitografia industrial. Seu nome vem do termo "dímero excitado" em que um dímero é o produto de combinações de gases que são eletricamente animado com uma configuração de nível de energia que cria frequências específicas de luz na faixa de UV do eletromagnético espectro.

Esses lasers usam gases reativos como cloro e flúor ao lado de quantidades de gases nobres como argônio, criptônio e xenônio. Os médicos e pesquisadores ainda estão explorando seus usos em aplicações cirúrgicas devido ao quão poderosos e eficazes eles podem ser usados ​​para aplicações de laser em cirurgia ocular. Excimer lasers não geram calor na córnea, mas sua energia pode quebrar ligações intermoleculares em tecido da córnea em um processo denominado "decomposição fotoablativa" sem causar danos desnecessários ao olho.