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    Como funcionam os lasers
    Além do laser tag, você pode encontrar lasers em objetos do cotidiano, como CD players ou mesmo brocas dentais. RichLegg / Getty Images

    "Guerra das Estrelas, " "Jornada nas Estrelas, "" Battlestar Galactica "- a tecnologia de laser desempenha um papel central em filmes e livros de ficção científica. É sem dúvida graças a esse tipo de história que agora associamos os lasers a guerras futurísticas e naves espaciais elegantes.

    Mas os lasers desempenham um papel fundamental em nossa vida cotidiana, também. O fato é que, eles aparecem em uma incrível variedade de produtos e tecnologias. Você os encontrará em tudo, desde leitores de CD a brocas dentais, máquinas de corte de metal de alta velocidade e sistemas de medição. Remoção de tatuagem, substituição de cabelo, cirurgia ocular - todos eles usam lasers. Mas o que é um laser? O que torna um feixe de laser diferente do feixe de uma lanterna? Especificamente, o que torna uma luz laser diferente de outros tipos de luz? Como os lasers são classificados?

    Neste artigo, você aprenderá tudo sobre os diferentes tipos de lasers, seus diferentes comprimentos de onda e os usos que os colocamos. Mas primeiro, vamos começar com os fundamentos da tecnologia a laser:vá para a próxima página para descobrir os fundamentos de um átomo.

    Conteúdo
    1. O básico de um átomo
    2. Absorvendo energia
    3. A Conexão Laser / Atom
    4. Luz laser
    5. Ruby Lasers
    6. Laser de Três Níveis
    7. Tipos de Lasers
    8. Qual é o seu comprimento de onda?
    9. Classificações de laser

    O básico de um átomo

    Um átomo, no modelo mais simples, consiste em um núcleo e elétrons em órbita. HSW

    Existem apenas cerca de 100 tipos diferentes de átomos em todo o universo. Tudo o que vemos é feito desses 100 átomos em um número ilimitado de combinações. Como esses átomos estão organizados e ligados determina se os átomos formam um copo de água, um pedaço de metal, ou a efervescência que sai da sua lata de refrigerante!

    Os átomos estão em constante movimento. Eles vibram continuamente, mover e girar. Até mesmo os átomos que constituem as cadeiras em que nos sentamos estão se movendo. Os sólidos estão realmente em movimento! Os átomos podem estar em diferentes estados de excitação . Em outras palavras, eles podem ter energias diferentes. Se aplicarmos muita energia a um átomo, pode deixar o que é chamado de nível de energia do estado fundamental e vá para um nível animado. O nível de excitação depende da quantidade de energia que é aplicada ao átomo via calor, luz, ou eletricidade.

    Acima está uma interpretação clássica da aparência do átomo.

    Este átomo simples consiste em um núcleo (contendo os prótons e nêutrons) e um Nuvem de elétrons. É útil pensar nos elétrons nesta nuvem circulando o núcleo em muitas órbitas diferentes.

    Absorvendo energia

    Absorção de energia:um átomo absorve energia na forma de calor, luz, ou eletricidade. Os elétrons podem se mover de uma órbita de baixa energia para uma órbita de alta energia.

    Considere a ilustração da página anterior. Embora visões mais modernas do átomo não retratam órbitas discretas para os elétrons, pode ser útil pensar nessas órbitas como os diferentes níveis de energia do átomo. Em outras palavras, se aplicarmos um pouco de calor a um átomo, poderíamos esperar que alguns dos elétrons nos orbitais de energia mais baixa transitassem para orbitais de energia mais alta, mais distantes do núcleo.

    Esta é uma visão altamente simplificada das coisas, mas na verdade reflete a ideia central de como os átomos funcionam em termos de lasers.

    Uma vez que um elétron se move para uma órbita de alta energia, eventualmente, deseja retornar ao estado fundamental. Quando isso acontecer, ele libera sua energia como um fóton - uma partícula de luz. Você vê átomos liberando energia como fótons o tempo todo. Por exemplo, quando o elemento de aquecimento em uma torradeira fica vermelho brilhante, a cor vermelha é causada por átomos, animado pelo calor, liberando fótons vermelhos. Quando você vê uma imagem na tela da TV, o que você está vendo são átomos de fósforo, animado por elétrons de alta velocidade, emitindo diferentes cores de luz. Qualquer coisa que produza luz - lâmpadas fluorescentes, lanternas a gás, lâmpadas incandescentes - faz isso por meio da ação de elétrons mudando de órbita e liberando fótons.

    A Conexão Laser / Atom

    UMA laser é um dispositivo que controla a maneira como os átomos energizados liberam fótons. "Laser" é um acrônimo para Amplificação de Luz por Emissão Estimulada de Radiação , que descreve muito sucintamente como um laser funciona.

    Embora existam muitos tipos de lasers, todos têm certos recursos essenciais. Em um laser, o meio laser é “bombeado” para colocar os átomos em um estado excitado. Tipicamente, flashes de luz muito intensos ou descargas elétricas bombeiam o meio emissor e criam uma grande coleção de átomos em estado excitado (átomos com elétrons de alta energia). É necessário ter uma grande coleção de átomos no estado excitado para que o laser funcione com eficiência. Em geral, os átomos são excitados a um nível que está dois ou três níveis acima do estado fundamental. Isso aumenta o grau de inversão de população . A inversão da população é o número de átomos no estado excitado versus o número no estado fundamental.

    Uma vez que o meio laser é bombeado, ele contém uma coleção de átomos com alguns elétrons situados em níveis excitados. Os elétrons excitados têm energias maiores do que os elétrons mais relaxados. Assim como o elétron absorveu alguma quantidade de energia para atingir este nível de excitação, também pode liberar essa energia. Como a figura abaixo ilustra, o elétron pode simplesmente relaxar, e, por sua vez, livra-se de alguma energia. Esse energia emitida vem na forma de fótons (Energia luminosa). O fóton emitido tem um comprimento de onda (cor) muito específico que depende do estado da energia do elétron quando o fóton é liberado. Dois átomos idênticos com elétrons em estados idênticos liberarão fótons com comprimentos de onda idênticos.

    Luz laser

    A luz laser é muito diferente do normal e tem as seguintes propriedades:

    • A luz liberada é monocromático. Ele contém um comprimento de onda específico de luz (uma cor específica). O comprimento de onda da luz é determinado pela quantidade de energia liberada quando o elétron cai para uma órbita inferior.
    • A luz liberada é coerente . É “organizado” - cada fóton se move em sintonia com os outros. Isso significa que todos os fótons têm frentes de onda que são lançadas em uníssono.
    • A luz é muito direcional . Uma luz laser tem um feixe muito estreito e é muito forte e concentrado. Uma lanterna, por outro lado, libera luz em muitas direções, e a luz é muito fraca e difusa.

    Para fazer essas três propriedades ocorrerem, é necessário algo chamado emissão estimulada . Isso não ocorre em sua lanterna comum - em uma lanterna, todos os átomos liberam seus fótons aleatoriamente. Na emissão estimulada, a emissão de fótons é organizada.

    O fóton que qualquer átomo libera tem um certo comprimento de onda que depende da diferença de energia entre o estado excitado e o estado fundamental. Se este fóton (possuindo certa energia e fase) encontrar outro átomo que tem um elétron no mesmo estado excitado, emissão estimulada pode ocorrer. O primeiro fóton pode estimular ou induzir a emissão atômica de modo que o fóton emitido subsequente (do segundo átomo) vibre com a mesma frequência e direção do fóton que chega.

    A outra chave para um laser é um par de espelhos , um em cada extremidade do meio laser. Fótons, com um comprimento de onda e fase muito específicos, reflita nos espelhos para viajar para frente e para trás através do meio laser. No processo, eles estimulam outros elétrons a fazer o salto de energia para baixo e podem causar a emissão de mais fótons do mesmo comprimento de onda e fase. Um efeito cascata ocorre, e logo propagamos muitos, muitos fótons do mesmo comprimento de onda e fase. O espelho em uma extremidade do laser é "meio prateado, "o que significa que reflete um pouco e deixa passar alguma luz. A luz que passa é o laser.

    Você pode ver todos esses componentes nas figuras da página seguinte, que ilustram como um simples laser de rubi trabalho.

    Ruby Lasers

    Um laser de rubi consiste em um tubo de flash (como você teria em uma câmera), uma haste de rubi e dois espelhos (um meio prateado). A haste de rubi é o meio laser e o tubo de flash o bombeia.

    2. O tubo de flash dispara e injeta luz na haste de rubi. A luz excita átomos no rubi. Como as coisas funcionam 3. Alguns desses átomos emitem fótons. Como as coisas funcionam 4. Alguns desses fótons correm em uma direção paralela ao eixo do rubi, então eles saltam para frente e para trás nos espelhos. Conforme eles passam pelo cristal, eles estimulam a emissão em outros átomos. Como as coisas funcionam 5. Monocromático, Fase única, a luz em colunas deixa o rubi através do espelho meio prateado - luz laser! Como as coisas funcionam

    Laser de Três Níveis

    Aqui está o que acontece na vida real, laser de três níveis.

    Como as coisas funcionam

    Na próxima seção, você aprenderá sobre os diferentes tipos de lasers.

    Tipos de Lasers

    Existem muitos tipos diferentes de lasers. O meio laser pode ser sólido, gás, líquido ou semicondutor. Lasers são comumente designados pelo tipo de material de laser empregado:

    • Lasers de estado sólido ter material lasing distribuído em uma matriz sólida (como os lasers de rubi ou neodímio:granada ítrio-alumínio "Yag"). O laser de neodímio-Yag emite luz infravermelha em 1, 064 nanômetros (nm). Um nanômetro é 1x10 -9 metros.
    • Lasers de gás (hélio e hélio-néon, HeNe, são os lasers de gás mais comuns) têm uma saída primária de luz vermelha visível. Os lasers de CO2 emitem energia no infravermelho distante, e são usados ​​para cortar materiais duros.
    • Lasers excimer (o nome é derivado dos termos animado e dímeros ) usar gases reativos, como cloro e flúor, misturado com gases inertes, como argônio, criptônio ou xenônio. Quando estimulado eletricamente, uma pseudo molécula (dímero) é produzida. Quando lased, o dímero produz luz na faixa ultravioleta.
    • Lasers de tinta usar corantes orgânicos complexos, como rodamina 6G, em solução ou suspensão líquida como meio laser. Eles são sintonizáveis ​​em uma ampla faixa de comprimentos de onda.
    • Lasers semicondutores , às vezes chamados de lasers de diodo, não são lasers de estado sólido. Esses dispositivos eletrônicos são geralmente muito pequenos e usam pouca energia. Eles podem ser construídos em matrizes maiores, como a fonte de gravação em algumas impressoras a laser ou CD players.

    Qual é o seu comprimento de onda?

    UMA laser de rubi (representado anteriormente) é um laser de estado sólido e emite no comprimento de onda de 694 nm. Outros meios laser podem ser selecionados com base no comprimento de onda de emissão desejado (consulte a tabela abaixo), poder necessário, e duração do pulso. Alguns lasers são muito poderosos, como o laser de CO2, que pode cortar aço. A razão pela qual o laser de CO2 é tão perigoso é porque ele emite luz laser na região do infravermelho e de micro-ondas do espectro. A radiação infravermelha é calor, e esse laser basicamente derrete através de tudo o que está focado.

    Outros lasers, como lasers de diodo, são muito fracos e são usados ​​nos ponteiros laser de bolso de hoje. Esses lasers normalmente emitem um feixe de luz vermelha com comprimento de onda entre 630 nm e 680 nm. Os lasers são utilizados na indústria e na pesquisa para fazer muitas coisas, incluindo o uso de luz laser intensa para estimular outras moléculas a observar o que acontece com elas.

    Aqui estão alguns lasers típicos e seus comprimentos de onda de emissão (em nanômetros):

    • Fluoreto de argônio (UV):193
    • Fluoreto de criptônio (UV):248
    • Cloreto de xenônio (UV):308
    • Nitrogênio (UV):337
    • Argônio (azul):488
    • Argônio (verde):514
    • Hélio neon (verde):543
    • Hélio neon (vermelho) 633
    • Corante rodamina 6G (ajustável):570-650
    • Ruby (CrAIO 3 ) (vermelho):694
    • Nd:Yag (NIR):1064
    • Dióxido de carbono (FIR):10600

    Classificações de laser

    Lasers são classificados em quatro grandes áreas, dependendo do potencial de causar dano biológico . Quando você vê um laser, deve ser rotulado com uma destas quatro designações de classe:

    • Classe I - Esses lasers não podem emitir radiação laser em níveis de perigo conhecidos.
    • Classe I.A. - Esta é uma designação especial que se aplica apenas a lasers que "não se destinam à visualização, "como um scanner a laser de supermercado. O limite superior de potência da Classe I.A. é 4,0 mW.
    • Classe II - São lasers visíveis de baixa potência que emitem acima dos níveis de Classe I, mas com uma potência radiante não superior a 1 mW. O conceito é que a reação de aversão humana à luz brilhante protegerá uma pessoa.
    • Classe IIIA - Estes são lasers de potência intermediária (cw:1-5 mW), que são perigosos apenas para visualização dentro do feixe. A maioria dos lasers apontadores semelhantes a caneta está nesta classe.
    • Classe IIIB - Estes são lasers de potência moderada.
    • Classe IV - Estes são lasers de alta potência (cw:500 mW, pulsado:10 J / cm 2 ou o limite de reflexão difusa), que são perigosos de ver em qualquer condição (direta ou difusamente espalhados), e são um risco potencial de incêndio e um risco para a pele. Controles significativos são necessários para instalações de laser Classe IV.

    Para obter mais informações sobre lasers e tópicos relacionados, confira os links a seguir.

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    Sobre o autor

    Matthew Weschler possui mestrado em Química Física Orgânica pela Florida State University. O tema de sua tese foi espectroscopia a laser de picossegundos, e ele estudou como as moléculas reagem a picossegundos após serem bombardeadas por luz laser.

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