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Espalhamento Raman Lasers. Laser História do desenvolvimento e algumas aplicações Foto: Rudolf Lessmann.

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Apresentação em tema: "Espalhamento Raman Lasers. Laser História do desenvolvimento e algumas aplicações Foto: Rudolf Lessmann."— Transcrição da apresentação:

1 Espalhamento Raman Lasers

2 Laser História do desenvolvimento e algumas aplicações Foto: Rudolf Lessmann

3 Introdução Maser Laser O primeiro laser Condições Desenvolvimentos Aplicações

4 Laser: uma nova fonte de luz Monocromática (1 cor ou comp. de onda) Altamente direcional com baixa divergência Capaz de ser focalizada num ponto muito pequeno Pulsos curtos de luz com alta intensidade

5 O papel de Einstein Em 1917 Einstein publicou estudo sobre o equilíbrio dinâmico para um meio material imerso em radiação eletromagnética, absorvendo-a e reemitindo-a. O processo de emissão estimulada.

6 Absorção e emissão A probabilidade da emissão estimulada é idêntica à probabilidade da absorção estimulada.

7 Absorção e emissão Níveis de energia:

8 O argumento de Einstein Equilíbrio: espontânea estimuladaabsorção Em equilíbrio térmico:

9 O argumento de Einstein No limite clássico (T infinita): (prob. de emissão estimulada aprox. igual a prob. de absorção) Resolvendo para u ( ): Ou: (Parecida com Planck)

10 O argumento de Einstein Planck: Então: Isto é, emissão estimulada é proporcional a emissão espontânea em equilíbrio.

11 MASER Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation Charles H. Townes (1954)

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13 LASER 1958 Previsão de condições para amplificação de luz por emissão estimulada (Laser) por Charles H. Townes e Arthur L. Schawlow (Nobel 1981)1958 Previsão de condições para amplificação de luz por emissão estimulada (Laser) por Charles H. Townes e Arthur L. Schawlow (Nobel 1981) Julho 1960 Primeira operação bem sucedida de um maser óptico (laser) por Theodore H. MaimanJulho 1960 Primeira operação bem sucedida de um maser óptico (laser) por Theodore H. Maiman Theodore H. Maiman Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

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15 O primeiro laser: Rubi Laser pulsado de rubi (1960) meio ativo: Al 2 O 3 :Cr 2 O 3 (0,05%)

16 Condições Inversão de PopulaçãoInversão de População Nesta situação a emissão estimulada domina sobre a absorção estimulada.

17 Condições O fóton emitido está em fase com, tem a polarização de, e se propaga na mesma direção da radiação que o estimulou. Emissão EstimuladaEmissão Estimulada

18 Mecanismo

19 Níveis de energia: laser de Rubi estados F (largos) transições rápidas não-radiativas estados metaestáveis luz de bombeio estado fundamental Níveis de energia dos íons Cr no rubi transição laser (694,3 nm)

20 Cavidade Laser

21 A cavidade óptica ressonante modos longitudinais (ondas estacionárias):

22 A cavidade óptica ressonante modos longitudinais (ondas estacionárias):

23 Modos transversais TEM 00 TEM 10 TEM 20 TEM 30 TEM 11 TEM 21 TEM 22 TEM 13 TEM 03

24 Modos transversais: fase

25 Classificação Divididos em quatro áreas abrangentes, dependendo do potencial de dano biológico: Classe I – estes lasers não emitem radiação dentro dos níveis de perigo conhecidos. Classe I – estes lasers não emitem radiação dentro dos níveis de perigo conhecidos. Classe IM – pode apresentar perigo se observada com instrumentos ópticos. Classe IM – pode apresentar perigo se observada com instrumentos ópticos. Classe II – lasers de baixa potência, os quais emitem acima dos níveis da classe I, mas com potência não acima de 1 mW. O conceito aqui é que a reação humana de aversão ao brilho intenso iria proteger a pessoa. Perigosa se exposição > 0,25 s. Classe II – lasers de baixa potência, os quais emitem acima dos níveis da classe I, mas com potência não acima de 1 mW. O conceito aqui é que a reação humana de aversão ao brilho intenso iria proteger a pessoa. Perigosa se exposição > 0,25 s. Classe IIM – como a classe II, mas apresenta maior perigo se observada com instrumentos ópticos. Classe IIM – como a classe II, mas apresenta maior perigo se observada com instrumentos ópticos. Classe IIIR – lasers de potência intermediária (cw: 1 a 5 mW). Risco baixo, mas potencialmente danoso. São danosos apenas para exposição direta do olho ao feixe. A maioria dos apontadores laser estão nesta classe. Classe IIIR – lasers de potência intermediária (cw: 1 a 5 mW). Risco baixo, mas potencialmente danoso. São danosos apenas para exposição direta do olho ao feixe. A maioria dos apontadores laser estão nesta classe. Classe IIIB – lasers de potência moderada, abaixo de 0,5 W. Potencialmente perigosos para os olhos e pele. Classe IIIB – lasers de potência moderada, abaixo de 0,5 W. Potencialmente perigosos para os olhos e pele. Classe IV – lasers de alta potência (cw: 500 mW, pulsado: 10 J/cm 2 ou o limite de reflexão difusa), os quais são danosos aos olhos em quaisquer condições (espalhado diretamente ou difuso), e podem provocar incêndios ou danos a pele. Requerem controles específicos nas instalações. Classe IV – lasers de alta potência (cw: 500 mW, pulsado: 10 J/cm 2 ou o limite de reflexão difusa), os quais são danosos aos olhos em quaisquer condições (espalhado diretamente ou difuso), e podem provocar incêndios ou danos a pele. Requerem controles específicos nas instalações.

26 Desenvolvimentos O laser de He-NeO laser de He-Ne Fevereiro 1961 Ali Javan, W.R. Bennett Jr. e D. R. Herriott - Laser He-Ne contínuo (cw) nm Mistura típica 0.8 torr de He e 0.1 torr de Ne Hoje em dia nm

27 O laser de He-Ne

28 Desenvolvimentos Lasers de Estado Sólido (de aprox. 170 nm a 3900 nm)Lasers de Estado Sólido (de aprox. 170 nm a 3900 nm) Ex: Nd 3+, Ho 3+, Gd 3+, Tm 3+, Er 3+, Pr 3+ e Eu 3+ em cristais de CaWO 4, Y 2 O 3, SrMoO 4, LaF 3, YAG e vidro Lasers a Gás (do IR ao UV(1 mm a 150 nm))Lasers a Gás (do IR ao UV(1 mm a 150 nm)) Ex: He-Ne, Ar, Kr, CO 2, N 2, He-Cd Lasers Semicondutores (1962) (junção ou diodo laser, 700 nm a 30 mm)Lasers Semicondutores (1962) (junção ou diodo laser, 700 nm a 30 mm) Ex: GaAs/GaAlAs, GaInAsP/InP Lasers de Corantes (1963) (solução corante + solvente, do IR ao UV)Lasers de Corantes (1963) (solução corante + solvente, do IR ao UV) Lasers Químicos (1964) (bombeado com energia de reação química)Lasers Químicos (1964) (bombeado com energia de reação química) Ex: DF-CO 2 (F 2 + D 2 ® 2DF)

29 Laser a gás Figure 1: Setup of a 20-W argon ion laser. The gas discharge with high current density occurs between the hollow anode and cathode. The intracavity prism can be rotated to select the operation wavelength.

30 Ar + laser

31 O laser de estado sólido

32 Semicondutor tipo p Semicondutor tipo n Posição log da concent. Esquema de bandas da junção p-n Carga espacial devido a defeitos ionizados Concentração de doadores e aceitadores pn d0d0

33 O diodo emissor de luz (LED)

34 O laser de semicondutor

35 O laser semicondutor

36 Desenvolvimentos

37 n Condensado de Bose- Einstein (1924) n Emissão coerente de pulsos de até vários milhões de átomos W. Ketterle et al. (1996)

38 Do micro

39 Ao macro O laser NOVA (EUA)

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41 Aplicações Pesquisa estudo de interfaces estudo de interfaces detecção de moléculas detecção de moléculasMedicina cirurgia ocular cirurgia ocular dermatologia dermatologia odontologia odontologiaComercial leitores de código de barras (1974) leitores de código de barras (1974) telecomunicações telecomunicaçõesIndustrial corte corte solda solda

42 Pesquisa Espalhamento dinâmico de luz

43 Processos de espalhamento de luz Espalhamento de luz Espalhamento elástico (fóton incidente e espalhado mesma freq.) Espalhamento inelástico (fóton incidente e espalhado freq. diferentes) Rayleigh (partículas menores que ) Mie (partículas comparáveis a ) Brillouin (fônons acústicos) Raman (fônons ópticos ou excitação vibracional na molécula)

44 Aplicações no dia a dia A impressora a laser

45 Aplicações no dia a dia O CD-driver

46 Aplicações no dia a dia O leitores de códigos de barra

47 Aplicações no dia a dia Medicina e odontologia antesdepois Palomar Q Yag 5

48 Aplicações industriais

49 Absorção de luz por metais

50 laser de diodo 200 W laser de CO 2 30 kW Aplicações

51 O laser de CO 2

52 O laser de Nd:YAG

53 O papel da polarização Perpendicular ao corte Paralela ao corte

54 O perfil de intensidade

55 A máquina de corte a laser

56 A cabeça

57 Corte e soldagem

58 Conclusões


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