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VIII Espectroscopia Método envolve: excitação detecção Fontes Coerentes x incoerentes Laser luz modificação na amostra outras fontes de excitação amostra.

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1 VIII Espectroscopia Método envolve: excitação detecção Fontes Coerentes x incoerentes Laser luz modificação na amostra outras fontes de excitação amostra

2 Coerência espacial & temporal Coerência espacial & temporal =cte Coerência temporal; Incoerência espacial = ( x ) Coerência espacial; Incoerência temporal = ( t ) Incoerência espacial & temporal = ( x,t ) temp o temp o. Frentes de onda Frentes de onda. Função harmônica e dependência espaço temporal da fase Função harmônica e dependência espaço temporal da fase.

3 Laser como meio óptico Um meio que armazena energia EM, cercado por (dois) espelhos. Luz que entra no meio induz emissão estimulada. Assim, a quantidade de radiação na saída excede a que entra. Para isto, um dos espelhos deve ter transmissão parcial. I 0 I 1 I 3 I 2 O laser funciona quando a irradiação cresce em uma volta: Isto é, se I 3 I 0 : O laser alcança o limiar: Meio laser com ganho G

4 Laser como meio quântico O ganho, G, é o valor pelo qual o feixe é amplificado quando atravessa o meio. Desprezando a absorção: A solução é: Pode haver ganho e perda exponencial na irradiação. Normalmente, existe perda. Se existe ganho, definimos G como: [emissão estimulada – espontânea]

5 Alcançando o limiar do laser Para alcançar o limiar, G > 1, e a emissão estimulada deve exceder a absorção: inversão B N 1 I > B N 0 I Ou, de forma equivalente, temperatura N 1 > N 0 negativa A condição é chamada "Inversão." Ela não ocorre naturalmente. A fim de alcançar inversão, precisamos excitar o meio fortemente. Energia

6 Amplitude e fase da luz do Laser Vamos considerar a formação de uma onda estacionária na cavidade: Teoria quântica do laser: Inversão não saturada:

7 Amplitude e fase da luz do Laser Equação fundamental do laser: Solução: Equação de movimento para partícula de massa despresível em potencial V(q) : G - > 0 V(q)V(q)

8 1 o exemplo: Laser de Rubi 1960 Ted Maiman no Hughes Research Labs, 1o laser construído.

9 Sistema de Quatro Níveis O sistema de quatro níveis é o sistema ideal. fast slow Moléculas acumulam-se neste nível, levando à inversão com respeito a este nível. transição laser

10 Laser de Hélio-Neônio

11 Lasers de Diodo

12 Freqüências Laser: " Modos Longitudinais" Lembrando que um trem infinito de pulsos idênticos pode ser escrito: E(t) = III(t/T) * f(t) onde f(t) representa um único pulso e T é o tempo entre pulsos. O Teorema da Convolução afirma que a Transformada de Fourier da convolução é o produto das Transformadas de Fourier. Então: F {E(t)} = T III( T/2 ) F( ) Se este trem de pulsos resulta de um pulso único rebatendo para frente e para trás dentro da cavidade laser, T = 2L/c. O espaçamento entre as freqüências ou "modos" é = 2 c/2L ou = c/2L.

13 A Transformada de Fourier de um Trem Finito de Pulsos Um trem finito de pulsos idênticos sob um envelope (duração finita) : E(t) = {III(t/T) g(t)} * f(t) onde g(t) é o envelope Gaussiano sobre o trem de pulsos. Lembrando: F {E(t)} {III( T/2 ) * G( )} F( )

14 Modos do Laser freqüências de um laser são freqüentemente chamadas de modos longitudinais. Quais modos operam no laser, dependem do perfil de ganho.

15 Feixes Gaussianos Feixes reais de lasers são localizados no espaço na cavidade do laser e portanto devem difratar quando propagam-se para longe laser. O feixe tem uma cintura em z = 0, onde o tamanho da mancha é w 0. Se expande para w = w(z) a uma distância z laser. O raio de curvatura do feixe, R(z), também cresce com a distância.

16 Focalizando um Feixe Gaussiano A lente focaliza um feixe Gaussiano colimado em uma nova mancha: d 0 2 f / D Quão MENOR se deseja o foco, MAIOR deve ser o feixe na lente!


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