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

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

Laser como meio óptico Meio laser com ganho G 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. I0 I1 I3 I2 O laser funciona quando a irradiação cresce em uma volta: Isto é, se I3  I0: O laser alcança o limiar: Meio laser com ganho G

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]

Alcançando o limiar do laser Para alcançar o limiar, G > 1, e a emissão estimulada deve exceder a absorção: inversão B N1 I > B N0 I Ou, de forma equivalente, temperatura N1 > N0 negativa A condição é chamada "Inversão." Ela não ocorre naturalmente. A fim de alcançar inversão, precisamos excitar o meio fortemente. Energia

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

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

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

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

Laser de Hélio-Neônio

Lasers de Diodo

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(wT/2p) F(w) 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 dw = 2pc/2L ou dn = c/2L.

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)} µ {III(wT/2p) * G(w)} F(w)

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

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 w0. Se expande para w = w(z) a uma distância z laser. O raio de curvatura do feixe, R(z), também cresce com a distância.

Focalizando um Feixe Gaussiano A lente focaliza um feixe Gaussiano colimado em uma nova mancha: d0 » 2 f l / D Quão MENOR se deseja o foco, MAIOR deve ser o feixe na lente!