Espalhamento Raman Lasers

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

Introdução Maser Laser O primeiro laser Condições Desenvolvimentos Aplicações

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

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.

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

Absorção e emissão Níveis de energia: http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/lasers/electroncycle/laserfigure1.jpg

O argumento de Einstein Equilíbrio: espontânea estimulada absorção Em equilíbrio térmico:

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

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

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

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 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. Maiman Theodore H. Maiman

Laser pulsado de rubi (1960) O primeiro laser: Rubi Laser pulsado de rubi (1960) meio ativo: Al2O3 :Cr2O3 (0,05%)

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

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

Mecanismo

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)

Cavidade Laser

A cavidade óptica ressonante modos longitudinais (ondas estacionárias):

A cavidade óptica ressonante modos longitudinais (ondas estacionárias):

Modos transversais TEM00 TEM10 TEM20 TEM30 TEM11 TEM21 TEM22 TEM13

Modos transversais: fase

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 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 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 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/cm2 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.

Desenvolvimentos O laser de He-Ne Fevereiro 1961 Ali Javan, W.R. Bennett Jr. e D. R. Herriott - Laser He-Ne contínuo (cw) 1152.3 nm Mistura típica 0.8 torr de He e 0.1 torr de Ne Hoje em dia 632.8 nm

O laser de He-Ne

Desenvolvimentos Lasers de Estado Sólido (de aprox. 170 nm a 3900 nm) Ex: Nd3+, Ho3+, Gd3+, Tm3+, Er3+, Pr3+ e Eu3+ em cristais de CaWO4, Y2O3, SrMoO4, LaF3, YAG e vidro Lasers a Gás (do IR ao UV(1 mm a 150 nm)) Ex: He-Ne, Ar, Kr, CO2, N2, He-Cd 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 Químicos (1964) (bombeado com energia de reação química) Ex: DF-CO2 (F2 + D2 ® 2DF)

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. http://www.rp-photonics.com/argon_ion_lasers.html

Ar+ laser http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/lasers/argonionlaser/

O laser de estado sólido

p n d0 Esquema de bandas da junção p-n Semicondutor tipo p Semicondutor tipo n Esquema de bandas da junção p-n Carga espacial devido a defeitos ionizados - - + + p n d0 Concentração de doadores e aceitadores log da concent. Posição

O diodo emissor de luz (LED)

O laser de semicondutor

O laser semicondutor

Desenvolvimentos

Desenvolvimentos Condensado de Bose-Einstein (1924) Emissão coerente de pulsos de 100.000 até vários milhões de átomos W. Ketterle et al. (1996)

Do micro

Ao macro O laser NOVA (EUA)

Aplicações Pesquisa estudo de interfaces detecção de moléculas Medicina cirurgia ocular dermatologia odontologia Comercial leitores de código de barras (1974) telecomunicações Industrial corte solda

Pesquisa Espalhamento dinâmico de luz

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

Aplicações no dia a dia A impressora a laser

Aplicações no dia a dia O CD-driver

Aplicações no dia a dia O leitores de códigos de barra

Aplicações no dia a dia antes depois Medicina e odontologia Palomar Q Yag 5 antes depois Medicina e odontologia

Aplicações industriais

Absorção de luz por metais

Aplicações laser de CO2 30 kW laser de diodo 200 W

O laser de CO2

O laser de Nd:YAG

O papel da polarização Perpendicular ao corte Paralela ao corte

O perfil de intensidade

A máquina de corte a laser

A cabeça

Corte e soldagem

Conclusões http://www.laserfocusworld.com http://www.photonics.com/spectraHome.aspx