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Laser

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Experimentar com um laser ( Forças armadas dos EU)

O termo por "laser" é um acrônimo para amplificação de luz por emissão estimulada de radiação. Um laser típico emite luz em um estreito, de baixa divergência monocromática (cor única, se o laser está operando no espectro visível), com um feixe bem definida comprimento de onda. Desta forma, a luz laser é em contraste com uma fonte de luz , tais como o lâmpada incandescente de luz, que emite luz em uma área ampla e em uma ampla espectro de comprimentos de onda.

O primeiro laser de trabalho foi demonstrado maio 1960 por Theodore Maiman em Hughes laboratórios de pesquisa. Recentemente, lasers tornaram-se uma indústria multi-bilionária. A utilização mais generalizada dos lasers é em dispositivos de armazenamento ópticos, tais como discos compactos e DVDs jogadores, no qual o laser (alguns milímetros de tamanho) varre a superfície do disco. Outras aplicações comuns de lasers são leitores de código de barras e ponteiros laser.

Na indústria, lasers são usados para corte de aço e outros metais e para inscrever padrões (como as letras em teclados de computador). Os lasers são também vulgarmente usados em vários campos em ciência , especialmente espectroscopia , tipicamente por causa do seu comprimento de onda bem definido, ou a duração do pulso curto no caso de lasers pulsados. Lasers são usados pelos militares para a identificação do alvo e iluminação para a entrega de armas. Os lasers utilizados na medicina são utilizados para a cirurgia interna e aplicações cosméticas.

Projeto

Embora a palavra luz na sigla Light Amplification por Emissão Estimulada de Radiação é tipicamente usado no sentido amplo, como fótons de qualquer energia eletromagnética; ela não se limita aos fotões no espectro visível. Portanto, há lasers infravermelhos, ultravioletas lasers, Lasers de raios-X, etc. Por exemplo, uma fonte de átomos num estado coerente pode ser chamado de um átomo de laser.

Um laser consiste num Ganho médio dentro de uma altamente reflexivo cavidade óptica, bem como um meio para o fornecimento de energia para o meio de ganho. O meio de ganho é um material (gás, líquido, sólido ou elétrons livres) com propriedades ópticas adequadas. Na sua forma mais simples, uma cavidade constituída por dois espelhos dispostos de tal modo que salta de luz e para trás, de cada vez que passa através do meio de ganho. Tipicamente, um dos dois espelhos, o saída do acoplador, é parcialmente transparente. O feixe de laser de saída é emitida através deste espelho.

Luz de um determinado comprimento de onda que passa através do meio de ganho é amplificados (aumentos de potência); os espelhos envolventes assegurar que a maior parte da luz faz com que muitas passagens através do meio de ganho, estimulando o material ganho continuamente. Parte da luz que se encontra entre os espelhos (isto é, no interior da cavidade) passa através do espelho parcialmente transparente e escapa como um feixe de luz.

O processo de fornecer a energia necessária para a amplificação é chamada bombeamento. A energia é normalmente fornecido como uma corrente eléctrica ou como luz num comprimento de onda diferente. Uma fonte bomba típico é uma lâmpada de flash ou talvez um outro laser. A maioria dos lasers práticos conter elementos adicionais que afectam as propriedades tais como o comprimento de onda da luz emitida e a forma do feixe.

Física Laser

Componentes principais:
1. meio laser ativo
2. Laser energia de bombeamento
3. Alta reflector
4. Acoplador de saída
5. feixe laser
A hélio-néon demonstração laser no Kastler Brossel-Laboratório de Univ. Paris 6. O raio brilhando no meio é uma luz de descarga elétrica produzindo em grande parte da mesma forma que uma luz de néon. É o ganhar meio através do qual o laser passa, e não o próprio feixe de laser, que não é visível. O feixe de laser atravessa o ar e marca um ponto vermelho na tela para a direita.
Espectro de um laser de néon hélio, mostrando a elevada pureza espectral intrínseca para quase todos os lasers. Compare com o relativamente amplo emitância espectral de um diodo emissor de luz.
Para compreender os fundamentos de como lasers trabalhar eo que faz suas emissões tão especial requer um conhecimento da interação da radiação eletromagnética e matéria (ver a " introdução à mecânica quântica "artigo).

Um laser é constituído por uma meio ativo do laser, ou ganho médio, e um ressonante cavidade óptica. O meio de ganho transfere energia externa para o feixe de laser. É um material de pureza controlada, o tamanho, a concentração, e forma, o que amplifica o feixe pelo processo de emissão estimulada. O meio de ganho é energizada, ou bombeado, por uma fonte de energia externa. Exemplos de fontes de bomba incluem electricidade e luz, por exemplo a partir de um lâmpada de flash ou de outro laser. A energia da bomba é absorvido pelo meio de laser, colocando algumas das suas partículas em alta-energia (" animado ") estados quânticos. As partículas podem interagir com a luz tanto por absorver os fótons ou por fótons que emitem. Emissão pode ser espontânea ou estimulada. Neste último caso, o fotão é emitido na mesma direcção que a luz que passa por. Quando o número de partículas em um estado animado excede o número de partículas em algum estado de menor energia, inversão de população é alcançado e a quantidade de emissão estimulada devido à luz que passa através é maior do que a quantidade de absorção. Assim, a luz é amplificado. Estritamente falando, estes são os ingredientes essenciais de um laser. No entanto, geralmente o laser termo é usado para dispositivos em que a luz que é amplificada é produzida como emissão espontânea a partir do mesmo como meio de ganho, onde a amplificação tem lugar. Dispositivos onde a luz de uma fonte externa é amplificados são normalmente chamados amplificadores ópticos.

A luz gerada por emissão estimulada é muito semelhante ao sinal de entrada, em termos de comprimento de onda, fase, e polarização. Isto dá luz laser sua coerência característica, e permite-lhe manter a polarização uniforme e frequentemente monocromaticidade estabelecido pelo desenho da cavidade óptica.

O cavidade óptica, um tipo de ressonador de cavidade, contém um feixe coerente de luz entre as superfícies reflectoras, de modo que a luz passa através do meio de ganho mais do que uma vez antes de ser emitida a partir da abertura de saída ou perdido a difracção ou absorção. Como a luz circula através da cavidade, passando através do meio de ganho, se o ganho (amplificação) em a forma é mais forte do que as perdas do ressoador, a energia da luz em circulação pode aumentar exponencialmente . Mas cada evento emissão estimulada retorna uma partícula partir do seu estado animado para o estado fundamental, reduzindo a capacidade do meio de ganho para amplificação posterior. Quando este efeito torna-se forte, o ganho é dito para ser saturada. O equilíbrio de poder bomba contra ganho de saturação e de cavidade perdas produz um valor de equilíbrio do poder do laser no interior da cavidade; este equilíbrio determina o ponto de funcionamento do laser. Se a potência da bomba é escolhido demasiado pequeno, o ganho não é suficiente para superar as perdas do ressoador, e o laser irá emitir apenas muito pequenas potências de luz. A potência mínima bomba necessário para começar a ação do laser é chamado de limite de emissão de laser. O meio de ganho irá amplificar quaisquer fótons que passam por ele, independentemente da direção; mas apenas os fótons alinhados com a cavidade conseguem passar mais de uma vez através do meio e por isso têm amplificação significativa.

O feixe na cavidade e o feixe de saída do laser, se ocorrer no espaço livre, em vez de guias de onda (como numa fibra óptica a laser), são, na melhor das hipóteses, a fim baixo Feixes. No entanto, isto raramente é o caso com lasers de potência. Se o feixe não é uma forma Gaussian baixa ordem, o modos transversais do feixe pode ser descrito como uma sobreposição de Hermite- Gaussian ou Vigas Laguerre-Gauss (por lasers estável-cavidade). Ressonadores de laser instáveis, por outro lado, têm sido mostrados para produzir vigas em forma fractal. O feixe pode ser altamente colimado, que é estar sem paralelo divergente. No entanto, um feixe colimado perfeitamente não pode ser criado, devido difracção. O feixe colimado permanece a uma distância que varia com o quadrado do diâmetro do feixe, e, eventualmente, diverge num ângulo que varia inversamente com o diâmetro do feixe. Assim, um feixe gerado por um laser de pequeno porte, tal como um laboratório laser de hélio-neon espalha a cerca de 1,6 km (1 milha) de diâmetro se brilhava da Terra à Lua . A título de comparação, a saída de um laser de semicondutor típico, devido ao seu pequeno diâmetro, diverge quase logo que deixa a abertura, a um ângulo de qualquer coisa até 50 °. No entanto, um tal feixe divergente pode ser transformado num feixe colimado através de uma lente. Em contraste, a luz de fontes de luz não-laser não pode ser colimada por óptica.

A saída de um laser pode ser uma saída com amplitude constante e contínuo (conhecido como CW ou de onda contínua); ou pulsada, usando as técnicas de Q-switching, modelocking, ou ganhar-switching. Em funcionamento pulsado, potência de pico muito mais elevadas podem ser alcançadas.

Alguns tipos de lasers, tais como lasers de corante e lasers de estado sólido vibrônicas podem produzir luz sobre uma ampla gama de comprimentos de onda; esta propriedade torna-os adequados para a geração de impulsos de luz extremamente curtos, na ordem de uns poucos femtossegundos (10 -15 s).

Embora o fenómeno de laser foi descoberto com a ajuda da física quântica , não é, essencialmente, mais mecânica quântica do que outras fontes de luz. A operação de um laser de elétron livre pode ser explicada sem referência a mecânica quântica .

Porque a microondas equivalente do laser, o radiação, foi desenvolvido pela primeira vez, os dispositivos que emitem microondas e rádio frequências são geralmente chamados de masers. Na literatura cedo, particularmente de pesquisadores Bell Telephone Laboratories, o laser foi muitas vezes chamado de radiação óptica. Este uso se tornou raro, e a partir de 1998 até Bell Labs usa o laser prazo.

Onda contínua e lasers pulsados

Um laser pode ou ser construído para emitir um feixe contínua ou uma série de impulsos curtos. Isso faz com que diferenças fundamentais na construção, mídia utilizáveis de laser e aplicações.

Operação de onda contínua

No Modo de onda contínua (CW) de operação, a saída de um laser é relativamente consistente em relação ao tempo. A inversão de população necessário para lasing é continuamente mantido por uma fonte constante da bomba.

Operação pulsada

No modo de funcionamento pulsado, a saída de um laser varia em função do tempo, tipicamente sob a forma de alternando 'ligado' e períodos "off". Em muitas aplicações uma tem como objetivo depositar tanta energia quanto possível em um determinado lugar em tão curto espaço de tempo possível. Em A ablação a laser, por exemplo, um pequeno volume de material na superfície de uma peça de trabalho pode evaporar se obtém a energia necessária para o aquecer suficientemente longe no tempo muito curto. Se, no entanto, a mesma energia é transmitida ao longo de um tempo mais longo, o calor pode ter hora de dispersar na massa da peça, e evapora-se menos material. Há um número de métodos para conseguir isto.

Q-comutação

Em um laser Q-comutado, a inversão de população (normalmente produzido da mesma maneira como a operação CW) é deixada a acumular-se, tornando as condições da cavidade (a 'Q') desfavoráveis para lasing. Em seguida, quando a energia da bomba armazenado na forma de laser está no nível desejado, o "Q" é ajustado (ou electro-acústico-óptico) a condições favoráveis, libertando o pulso. Isso resulta em altas potências de pico como a potência média do laser (que estavam em execução no modo CW) é embalado em um tempo mais curto.

Modelocking

Um laser modelocked emite impulsos extremamente curtos da ordem de dezenas de picossegundos para baixo para menos de 10 femtossegundos. Estes pulsos são tipicamente separados por o tempo que um impulso necessário para completar uma ida e volta na cavidade de ressonância. Devido à Limite de Fourier (também conhecido como tempo de energia incerteza), um impulso de comprimento, tais temporais curto tem um espectro que contém uma ampla gama de comprimentos de onda. Devido a isso, o meio de laser deve ter um perfil de ganho suficientemente ampla para amplificar todos eles. Um exemplo de um material apropriado é titânio dopado, cultivados artificialmente safira ( Ti: safira).

O laser modelocked é uma ferramenta mais versátil para a pesquisa de processos acontecendo em escalas de tempo extremamente rápidas também conhecido como física femtosegundo, química de femtosegundos e ciência ultra-rápida, para maximizar o efeito de não-linearidade em materiais ópticos (por exemplo, geração de segunda harmônica, paramétricas down-conversão, óptico osciladores paramétricos e semelhantes), e em aplicações de ablação. Mais uma vez, por causa dos prazos curtos envolvidos, estes lasers pode alcançar extremamente altas potências.

Bombeamento Pulsed

Outro método de conseguir uma operação de laser pulsado é bombear o material de laser com uma fonte que é em si pulsado, quer através de carga electrónica no caso de lâmpadas de flash, ou outro laser que já é pulsada. Bombeamento pulsado foi historicamente usado com lasers de corante, onde o tempo de vida da população invertida de uma molécula de corante foi tão curta que uma alta energia, foi necessário bomba rápido. A forma de ultrapassar este problema foi a cobrar até grandes condensadores que são então mudaram para descarregar através flashlamps, produzindo um amplo espectro de flash bomba. Bombeamento pulsada é também necessária para os lasers que perturbem o meio de ganho tanto durante o processo de laser que tem lasing cessar durante um período curto. Estes lasers, tais como o laser de excímero e o laser de vapor de cobre, nunca pode ser operado no modo de ondas contínuas.

História

Fundações

Em 1917, Albert Einstein , em seu artigo Zur Quantentheorie der Strahlung (Na Teoria Quântica da Radiação), lançou as bases para a invenção do laser e seu antecessor, o maser, em um rederivation inovador de Max Planck 's lei de radiação com base nos conceitos de coeficientes de probabilidade (que viria a ser chamado de' coeficientes de Einstein ') para a absorção, espontâneo e emissão estimulada.

Em 1928, Rudolph W. Landenburg confirmou a existência de emissão estimulada e absorção negativa.

Em 1939, Valentin A. Fabrikant (URSS) previu o uso de emissão estimulada para amplificar ondas "curtas".

Em 1947, Willis E. Lamb e RC Retherford encontrado emissão estimulada aparente em espectros de hidrogênio e fez a primeira demonstração de emissão estimulada.

Em 1950, Alfred Kastler (Prêmio Nobel de Física 1966) propôs o método de bombeamento óptico, o que foi confirmada experimentalmente por Brossel, Kastler e Inverno dois anos depois.

Maser

Em 1953, Charles H. Townes e estudantes de graduação James P. Gordon e Herbert J. Zeiger produziu o primeiro amplificador de micro-ondas, um dispositivo que opera em princípios semelhantes ao laser, mas amplificando micro-ondas, em vez de radiação infravermelha ou visível. Townes de maser foi incapaz de saída contínua. Nikolay Basov e Aleksandr Prokhorov da União Soviética trabalharam de forma independente no quantum oscilador e resolveu o problema dos sistemas de saída contínua usando mais do que dois níveis de energia e produzido o primeiro radiação. Estes sistemas poderiam libertar emissão estimulada sem cair para o estado fundamental, mantendo assim um inversão de população. Em 1955 Prokhorov e Basov sugeriu um bombeamento óptico do sistema multinível como um método para a obtenção da inversão de população, que mais tarde se tornou um dos principais métodos de bombeamento laser.

Townes relata que ele encontrou oposição de um número de eminentes colegas que pensavam que a radiação era teoricamente impossível - incluindo Niels Bohr , John von Neumann , Isidor Rabi, Polykarp Kusch, e Llewellyn H. Thomas .

Townes, Basov e Prokhorov compartilharam o Prêmio Nobel de Física em 1964 "Para o trabalho fundamental no campo da eletrônica quântica, o que levou à construção de osciladores e amplificadores baseados no princípio do maser a laser".

Laser

Em 1957, Charles Townes e duro Arthur Leonard Schawlow, em seguida, em Bell Labs, começou um estudo sério do laser infravermelho. Como idéias foram desenvolvidas, frequências infravermelhas foram abandonados com foco na luz visível em vez disso. O conceito foi originalmente conhecido como um "maser ótico". Bell Labs apresentou uma pedido de patente para seu maser óptico proposto um ano depois. Schawlow e Townes enviou um manuscrito de seus cálculos teóricos para Physical Review, que publicou o seu papel naquele ano (Volume 112, Issue 6).

Ao mesmo tempo Gordon Gould, um estudante de graduação Universidade de Columbia, estava trabalhando em um tese de doutorado sobre os níveis de energia do animado tálio . Gould e Townes se encontraram e tiveram conversas sobre o assunto geral de radiação emissão. Depois Gould fez anotações sobre suas idéias para "laser" em Novembro de 1957, inclusive sugerindo usando um aberto ressonador, que se tornou um ingrediente importante de lasers futuras.

Em 1958, Prokhorov proposto de forma independente utilizando um ressonador aberto, a primeira aparição publicada dessa idéia. Schawlow e Townes também se estabeleceram em um design ressonador aberto, aparentemente inconsciente, tanto do trabalho publicado de Prokhorov eo trabalho inédito de Gould.

O termo "a laser" foi introduzido pela primeira vez ao público no papel 1959 conferência de Gould "A LASER, Light Amplification por Emissão Estimulada de Radiação". Gould destina "-aser" ser um sufixo, para ser usado com um prefixo apropriado para os espectros de luz emitida pelo dispositivo (laser de raios-x = Xaser, laser ultravioleta = uvaser, etc). Nenhum dos outros termos tornaram-se populares, embora "raser" foi utilizado para um curto período de tempo para descrever rádio-frequência de dispositivos de emissão.

Notas de Gould incluídos possíveis aplicações para um laser, como a espectrometria , interferometria, radar , e fusão nuclear. Ele continuou a trabalhar em sua idéia e ajuizou pedido de patente em abril de 1959. O US Patent Office negado seu pedido e concedeu uma patente para Bell Labs em 1960. Isso provocou uma batalha legal que correu 28 anos, com prestígio científico e muito dinheiro em jogo. Gould ganhou sua primeira patente menor em 1977, mas não foi até 1987 que ele poderia reivindicar a sua primeira vitória de patente significativa quando um juiz federal ordenou que o governo a emitir patentes para ele para o laser de bombeamento óptico eo laser de descarga de gás.

O primeiro laser de trabalho foi feita pela Theodore H. Maiman em 1960, Hughes Laboratórios de Pesquisa em Malibu, Califórnia, batendo várias equipas de investigação, incluindo as de Townes em Universidade de Columbia, Arthur L. Schawlow na Bell Labs, e Gould em uma empresa chamada TRG (Grupo Técnico de Investigação). Maiman usou um solid-state sintético bombeado-flashlamp ruby cristal para produzir luz laser vermelho em 694 nanômetros de comprimento de onda. A laser de Maiman, no entanto, só foi capaz de operação pulsada devido ao seu esquema de nível de bombeamento três energia.

Mais tarde, em 1960, o iraniano físico Ali Javan, trabalhando com William R. Bennett e Donald Herriot, fez a primeira laser de gás usando hélio e neon . Javan mais tarde recebeu o Albert Einstein Award em 1993.

O conceito do semicondutor diodo laser foi proposto por Basov e Javan. O primeiro diodo laser foi demonstrado pela Robert N. Hall, em 1962. dispositivo de Hall foi feita de arsenieto de gálio e emitida a 850 nm no near- região infravermelha do espectro. O primeiro laser semicondutor com emissão visível foi demonstrada mais tarde no mesmo ano pelo Nick Holonyak, Jr. Tal como acontece com os primeiros lasers de gás, estes lasers semicondutores iniciais poderiam ser usadas apenas em operação por impulsos, e, de facto apenas quando arrefecida a temperaturas de nitrogênio líquido (77 K).

Em 1970, Zhores Alferov na União Soviética e Izuo Hayashi e Morton Panish de Bell Telephone Laboratories desenvolveu independentemente diodos laser continuamente operando em temperatura ambiente, usando o estrutura heterojunction.

As recentes inovações

Gráfico mostrando a história da intensidade máxima do impulso de laser ao longo dos últimos 40 anos.

Desde o início do período da história laser, laser de investigação tem produzido uma variedade de tipos de laser melhoradas e especializados, otimizados para diferentes objetivos de desempenho, incluindo:

  • novas bandas de comprimento de onda
  • potência média de saída máximo
  • potência máxima de saída de pico
  • duração do pulso de saída mínima
  • a máxima eficiência energética
  • máxima de carga
  • máxima de queima

e esta pesquisa continua até hoje.

Lasing sem manter o meio excitado em uma inversão de população, foi descoberto em 1992 em sódio gás e novamente em 1995, em rubídio gás por várias equipas internacionais. Isto foi conseguido por meio de um maser externo para induzir a "transparência óptica" a médio através da introdução e destrutiva interferir as transições de elétrons entre dois caminhos de terra, de modo que a probabilidade de os elétrons solo para absorver toda a energia foi cancelado.

Em 1985, no Universidade de Rochester de Laboratório de Laser Energetics um avanço na criação de ultrashort-pulso, muito alta intensidade ( terawatts) pulsos de laser tornou-se disponível usando uma técnica chamada amplificação piava pulso, ou CPA, descoberto por Gérard Mourou. Estes pulsos de alta intensidade pode produzir propagação do filamento na atmosfera.

Tipos e princípios de funcionamento

Saída espectral de vários tipos de lasers.

Lasers de gás

Lasers a gás que utilizam muitos gases foram construídas e usado para muitas finalidades. Eles são um dos mais antigos tipos de laser.

O hélio-neon laser (HeNe) emite em uma variedade de comprimentos de onda e unidades operacionais a 633 nm são muito comuns na educação por causa de seu baixo custo.

Lasers de dióxido de carbono podem emitir centenas de quilowatts em 9,6 um e 10,6 um, e são muitas vezes utilizados na indústria para corte e soldadura. A eficiência de um laser de CO 2 é superior a 10%.

Lasers argônio-íon emite luz na faixa 351-528,7 nm. Dependendo da óptica eo tubo do laser um número diferente de linhas é utilizável, mas as linhas mais usadas são 458 nm, 488 nm e 514,5 nm.

Um azoto t ransverse e descarga, eléctricos em gás a uma pressão de laser tmospheric (TEA) é um laser de gás barato produzir luz UV a 337,1 nm.

Lasers de iões metálicos são lasers de gás que geram ultravioleta profundo comprimentos de onda. Hélio - prata (HEAG) 224 nm e neon - cobre (necu) 248 nm são dois exemplos. Estes lasers dispõem de oscilação particularmente estreito linewidths de menos de 3 GHz (0,5 picometros), tornando-os candidatos para uso em fluorescência suprimida Espectroscopia Raman.

Lasers químicos

Lasers químicos são alimentados por uma reacção química, e pode atingir altas potências em operação contínua. Por exemplo, no Laser de fluoreto de hidrogênio (2700-2900 nm) e do Laser de fluoreto de deutério (3800 nm), a reacção é a combinação de hidrogénio ou deutério gasoso com produtos de combustão do etileno em trifluoreto de azoto. Eles foram inventados por George C. Pimentel.

Excimer laser

Excimer laser são alimentados por uma reação química envolvendo um dímero animado, ou excímero, que está a uma curta duração dimérica ou molécula heterodimérica formado a partir de duas espécies (átomos), pelo menos um dos quais está numa estado eletrônico animado. Eles produzem tipicamente ultravioleta luz, e são utilizados em tecnologias de semicondutores fotolitografia e em LASIK cirurgia ocular. Moléculas de excímero vulgarmente utilizados incluem F 2 ( flúor , emitindo a 157 nm), e compostos de gases nobres (IRA [193 nm], KrCl [222 nm], KrF [248 nm], XeCl [308 nm], e XEF [351 nm]).

Lasers de estado sólido

Um 50 W Fasor, com base em um laser Nd: YAG, utilizado no Starfire Optical Gama

Materiais de laser em estado sólido são feitos geralmente por doping uma série sólido cristalino com íons que fornecem os estados de energia necessários. Por exemplo, o primeiro laser de trabalho era uma ruby laser, feita a partir de ruby ( cromo dopado com corindo ). Formalmente, a classe de lasers de estado sólido também inclui laser de fibra, como a forma activa (fibra) está no estado sólido. Praticamente, na literatura científica, laser de estado sólido normalmente significa um laser com meio ativo granel; enquanto lasers onda-guia são chamador lasers de fibra.

Neodímio é um contaminante comum em vários cristais laser em estado sólido, incluindo ortovanadato de ítrio ( Nd: YVO 4), fluoreto de lítio ítrio ( Nd: YLF) e granada ítrio de alumínio ( Nd: YAG). Todos estes lasers podem produzir altos poderes na espectro infravermelho em 1064 nm. Eles são utilizados para corte, soldadura e marcação de metais e outros materiais, e também em espectroscopia e para o bombeamento lasers de corante. Estes lasers são também vulgarmente freqüência dobrou, triplicou ou quadruplicou para produzir 532 nm ( verde, visível), 355 nm ( UV ) e 266 nm ( UV ) luz quando são necessários os comprimentos de onda.

Itérbio , hólmio , túlio e érbio são outros contaminantes comuns em lasers de estado sólido. Itérbio é usado em cristais como Yb: YAG, Yb: KGW, Yb: KYW, Yb: SYS, Yb: BOYS, Yb: CaF2, geralmente operando em torno de 1020-1050 nm. Eles são potencialmente muito eficiente e de alta potência devido a um pequeno defeito quântico. Extremamente elevadas potências em pulsos ultracurtos pode ser conseguido com Yb:. YAG Hólmio YAG dopado com cristais emitem a 2097 nm e um laser de formar eficiente operando a comprimentos de onda infravermelhos fortemente absorvida pelos tecidos contendo água. O Ho-YAG é normalmente operado em modo pulsado, e passado através de dispositivos cirúrgicos de fibra óptica para ressurgir articulações, remova podridão dos dentes, vaporizar tipos de câncer, e pulverizar nos rins e na vesícula pedras.

Titanium safira dopado ( Ti: safira) produz uma altamente sintonizável laser infravermelho, vulgarmente utilizados para espectroscopia , bem como o mais comum ultracurtos de laser de pulso.

Limitações térmicas em lasers de estado sólido surgir de potência da bomba não convertido que se manifesta na forma de calor e phonon energia. Este calor, quando acoplado com um coeficiente de termo-óptica elevada (d n / d T) pode dar origem ao efeito de lente térmica, bem como a redução da eficiência quântica. Esses tipos de problemas podem ser superados por uma outra novela laser em estado sólido bombeado diodo, o fino diodo-bombeado do laser do disco. As limitações térmicos neste tipo de laser são mitigados através da utilização de uma geometria de forma a laser em que a espessura é muito menor do que o diâmetro do feixe de bomba. Isto permite um gradiente mais uniforme térmica no material. Fino lasers de disco têm sido mostrados para produzir até níveis de quilowatts de energia.

Lasers hospedado-Fibra

Lasers de estado sólido onde a luz é guiada devido à reflexão interna total num wavequide são chamados lasers de fibra devido à grande proporção do comprimento para o tamanho transversal; esta proporção pode variar de junho 10-setembro 10; Visualmente, o elemento activo de um tal laser de parece como uma fibra. Orientador da luz permite que regiões extremamente longas ganho proporcionando boas condições de resfriamento; fibras têm a área de superfície elevada em relação ao volume permite um arrefecimento eficiente. Além disso, as propriedades de guia de onda da fibra tendem a reduzir a distorção térmica do feixe.

fibras double-revestido. Muitas vezes, o laser de fibra é concebido como um fibra double-revestido. Este tipo de fibras é constituído por um núcleo de fibra, um revestimento interior e um revestimento exterior. O índice dos três camadas concêntricas é escolhido de modo que o núcleo da fibra actua como uma fibra de modo único para a emissão do laser, enquanto o revestimento exterior actua como um núcleo altamente multimodo para o laser bomba. Isso permite que a bomba de propagar uma grande quantidade de energia para dentro e através da região activa do núcleo interior, enquanto continua a ter uma elevada abertura numérica (NA) de ter condições de lançamento fáceis.

Lasers de disco de fibra. A utilização eficiente da bomba em laser de fibra pode ser conseguida no entrega transversal da bomba; no entanto, vários lasers devem ser formadas num bloco. Essa pilha pode ter a forma de um disco, o que é uma alternativa ao fibra double-revestido.

O comprimento máximo de um laser de fibra. Lasers de fibra tem um limite fundamental na medida em que a intensidade da luz na fibra não pode ser tão alto que não linearidades ópticas induzidas pela intensidade do campo eléctrico local, pode tornar-se dominante, e impedir o funcionamento do laser e / ou conduzir à destruição de material de fibra. Este efeito é chamado photodarkening. Em materiais de laser a granel, o arrefecimento não é tão eficaz, e é difícil separar os efeitos de photodarkening dos efeitos térmicos, mas as experiências em fibras a photodarkening pode ser atribuída à formação de longa vida og centros de cor.

Lasers semicondutores

Comercial diodos laser emitem em comprimentos de onda de 375 nm a 1800 nm, e comprimentos de onda superiores a 3 um foram demonstradas. Diodos de laser de baixa potência são utilizados em impressoras a laser e CD / DVD players. Mais poderosos diodos laser são freqüentemente usados para opticamente bombear outros lasers com alta eficiência. As maiores diodos de laser de potência industrial, com potência de até 10 kW (70dBm), são utilizados na indústria para corte e solda. Lasers semicondutores External-cavidade ter um meio ativo semicondutor em uma cavidade maior. Estes dispositivos podem gerar saídas de alta potência com boa qualidade do feixe, estreito comprimento de onda-tunable linewidth radiação, ou pulsos de laser ultracurtos.

Da cavidade vertical lasers emissores de superfície ( VCSEL) são lasers semicondutores, cuja direcção de emissão é perpendicular à superfície da bolacha. Dispositivos VCSEL têm tipicamente um feixe de saída mais circular dos díodos laser convencionais, e, potencialmente, poderiam ser muito mais barata de fabricar. A partir de 2005, apenas 850 nm VCSELs estão amplamente disponíveis, com 1300 nm VCSELs começando a ser comercializado e 1.550 dispositivos nm uma área de pesquisa. VECSELs são VCSELs externo-cavidade. Lasers de cascata quântica são lasers semicondutores que têm uma transição ativa entre sub-bandas de energia de um elétron em uma estrutura que contém vários poços quânticos.

O desenvolvimento de um silício laser é importante no campo de computação óptica, uma vez que significa que, se o silício, o principal ingrediente de chips de computador , foram capazes de produzir lasers, que iria permitir que a luz para ser manipulado como em electrões são circuitos integrados normais. Assim, fótons substituiria electrões nos circuitos, o que aumenta drasticamente a velocidade do computador. Infelizmente, o silício é um material de emissão de laser difícil de tratar, uma vez que tem certas propriedades que bloqueiam de laser. No entanto, recentemente equipas produziram lasers de silício através de métodos tais como a fabricação do material lasing de silício e outros materiais semicondutores, tais como índio (III) ou fosfeto gálio (III) arsenieto, materiais que permitem que a luz coerente a ser produzido a partir de silício. Estes são chamados laser de silício híbrido. Um outro tipo é um Laser Raman, que tira partido de Espalhamento Raman para produzir um laser a partir de materiais tais como silício.

Lasers de corante

Lasers de corante usar um corante orgânico como o meio de ganho. O espectro de ganho de largura de corantes disponíveis permite que esses lasers para ser altamente sintonizável, ou produzem muito impulsos de curta duração (na ordem de alguns femtosegundos)

Lasers de electrões livres

Lasers de elétrons livres, ou FEL, gerar potência radiação coerente, alto, que é amplamente ajustável, atualmente variando em comprimento de onda de microondas, por meio de terahertz radiação infravermelha e, para o espectro visível, a raios X suaves. Eles têm a maior gama de frequências de qualquer tipo de laser. Enquanto vigas FEL compartilhar as mesmas características ópticas como outros lasers, como a radiação coerente, operação FEL é bem diferente. Ao contrário de gás, líquido ou lasers de estado sólido, que dependem de estados atômicos ou moleculares ligados, FEL usar um feixe de elétrons relativista como o meio lasing, daí o elétron livre prazo.

Lasers reação nuclear

Em setembro de 2007, o BBC News informou que houve especulação sobre a possibilidade de utilizar positrônio aniquilação de conduzir um poderoso laser de raios gama. Acredita-se que este laser para ser poderoso o suficiente para dar início a uma reação nuclear, com um único laser de raios gama, um pouco do que as centenas de lasers convencionais envolvidos em experiências atuais.

Lasers de cristal fotônico

Lasers com base em nano-estruturas que proporcionam o modo confinamento e a estrutura DOS necessário para o feedback para tomar lugar. Eles são típicos mícron de tamanho e ajustável nas bandas dos cristais fotônicos


Lasing aleatória

Um laser aleatório é um sistema formado por um conjunto aleatório de dispersa elásticas dispersas em um meio de ganho óptico.A dispersão de luz múltiplo substitui a cavidade óptica padrão de lasers tradicionais ea interação entre ganho e dispersão determina suas propriedades únicas.

Usos

Lasers variam em tamanho de microscópicoslasers de diodo (parte superior), com inúmeras aplicações, para campo de futebol de tamanhoneodímio vidrolasers (abaixo) utilizados para afusão por confinamento inercial,de armas nuclearesde investigação e outros experimentos de física de alta densidade de energia.

Quando lasers foram inventados em 1960, eles foram chamados de "uma solução em busca de um problema". Desde então, eles tornaram-se onipresentes, encontrando utilidade em milhares de aplicações altamente variadas em cada seção da sociedade moderna, incluindo electrónica de consumo, tecnologia da informação, ciência , medicina , indústria , aplicação da lei, de entretenimento, bem como a militar.

A primeira aplicação de lasers visíveis no cotidiano da população em geral foi o supermercadoscanner de código de barras, introduzido em 1974. Oleitor de disco laser, introduzido em 1978, foi o primeiro produto de consumo de sucesso para incluir um laser, mas odisco compactofoi o jogador primeiro dispositivo equipado com laser para se tornar verdadeiramente comum em casas dos consumidores, começando em 1982, seguido em breve porimpressoras a laser.

Algumas das outras aplicações incluem:

  • Medicina: Cirurgia sem sangue, cura laser, tratamento cirúrgico, tratamento de pedra nos rins,tratamento do olho, odontologia
  • Indústria: corte, soldagem, tratamento térmico material, marcação de peças
  • Defesa: Marcação objectivos orientadores, munições,defesa antimísseis,contramedidas eletro-ópticos (EOCM),RADARalternativa
  • Investigação: Espectroscopia, ablação por laser, de recozimento laser, dispersão de laser, interferometria laser,LIDAR
  • Desenvolvimento de produto / comercial: impressoras a laser,CDs,scanners de código de barras, ponteiros laser,hologramas)

Em 2004, excluindo lasers de diodo, cerca de 131 mil lasers foram vendidos em todo o mundo, com um valor de US 2,19 bilhões dólares. No mesmo ano, cerca de 733 milhões lasers de diodo, no valor de $ 3,20 bilhões, foram vendidos.

Exemplos de potência

Usos diferentes precisam lasers com diferentes potências de saída. Os lasers que produzem uma viga contínua ou uma série de impulsos de curta duração pode ser comparada com base na sua potência média. Os lasers que produzem impulsos pode também ser caracterizado com base no pico de energia de cada impulso. O pico de potência de um laser pulsado é muitas ordens de grandeza maior do que a sua potência média. A potência média de saída é sempre menor que a energia consumida.

A potência contínua ou médio necessário para alguns usos:

  • 5 mW -unidade de CD-ROM
  • 5-10 mW -leitor de DVD ouunidade de DVD-ROM
  • 100 mW -unidade de CD-RW
  • 250 mW - Alta velocidade deCD-R queimador
  • 500 mW - ConsumerDVD-R queimador
  • 1 W - laser verde no atualdesenvolvimento Holographic Versatile Disc protótipo
  • 30-100 W - CO típico selado2lasers cirúrgicos
  • 100-3000 W (potência máxima de 1,5 kW) - CO típico selados2lasers utilizados em aplicações industriaisde corte a laser
  • 1 kW - Potência de saída deverá ser alcançado por um protótipo de um centímetro bar laser de diodo

Exemplos de sistemas pulsados, com alta potência de pico:

  • 700 TW (700 x 10 12 W) - A National Ignition Facility está trabalhando em um sistema que, quando completo, conterá um 192-feixe, sistema de laser de 1,8 megajoules adjacente uma câmara-alvo de 10 metros de diâmetro. O sistema está prevista para ser concluída em abril de 2009.
  • 1.3 PW (1,3 × 1015W) - a mais poderosa do laser do mundoa partir de 1998, localizado noLaboratório Lawrence Livermore

Usos Hobby

Nos últimos anos, alguns aficionados tomaram interesses em lasers. Lasers utilizados por amadores são geralmente de classe IIIa ou IIIb, embora alguns tenham feito seus próprios tipos de classe IV. No entanto, em comparação com outros amadores, entusiastas do laser são muito menos comuns, devido ao custo e potenciais perigos envolvidos. Devido ao custo dos lasers, alguns amadores usar meios baratos para obter lasers, tais como extracção a partir de díodos de gravadores de DVD.

Hobbyists também tem estado a tomar lasers pulsados ​​excedentes de aplicações militares aposentados e modificá-los para a holografia pulsada. Pulsada Ruby e lasers YAG pulsado foram utilizados.

Segurança do laser

Advertência de segurança para lasers

Mesmo o primeiro laser foi reconhecido como sendo potencialmente perigosa. Theodore Maiman caracterizado como o primeiro laser com uma potência de um " Gillette "; como poderia queimar-se com uma Gillette lâmina de barbear. Hoje, aceita-se que mesmo os lasers de baixa potência, com apenas alguns miliwatts de potência de saída pode ser perigoso para a visão humana.

Em comprimentos de onda que a córnea e a lente pode focalizar bem, a coerência e baixa divergência da luz laser significa que ele pode ser focado pelo olho extremamente pequena em um ponto na retina , o que resulta na queima localizada e danos permanentes em segundos ou ainda menos Tempo. Lasers são classificados em classes de segurança numeradas I (integração da segurança) a IV (mesmo de luz difusa pode causar olho e / ou danos à pele). Os produtos a laser disponíveis para os consumidores, tais como CD players e ponteiros laser são geralmente em classe I, II ou III. Alguns lasers infravermelhos com comprimentos de onda além de cerca de 1,4 micrómetros são muitas vezes referidos como sendo "seguro para os olhos". Isto é porque as vibrações moleculares intrínsecas de água moléculas absorvem muito fortemente a luz nesta parte do espectro e, portanto, um feixe de laser para estes comprimentos de onda é atenuado de modo completamente à medida que passa através do olho córnea que nenhuma luz continua a ser focada pela lente para a retina . O rótulo "seguro para os olhos" pode ser enganosa, no entanto, uma vez que só se aplica a potência relativamente baixa vigas de onda contínua e qualquer poder alto ou a laser Q-switched nestes comprimentos de onda pode queimar a córnea, causando danos oculares graves.

Terminologia relacionada

Em analogia com lasers ópticos, um dispositivo que produz quaisquer partículas ouradiação electromagnéticanum estado coerente é também chamado de "laser", geralmente com a indicação do tipo de partícula como prefixo (por exemplo,laser de átomos.) Na maioria dos casos ", a laser "refere-se a uma fonte de luz coerente ou outraradiação electromagnética.

O back-formado verbolasemeios "para produzir luz laser" ou "para aplicar o laser para".

Previsões de ficção

Antes emissão estimulada foi descoberto,romancistasusados ​​para descrever máquinas que podemos identificar como "lasers".

  • O primeiro dispositivo ficcional semelhante a uma CO militar2laser (verHeat-Ray) aparece no romance sci-fi A Guerra dos MundosdeHG Wells em 1898.
  • Um dispositivo laser-como foi descrito nosci-fi romance de Alexey Tolstoy O Hyperboloid de Engenheiro Garinem 1927: verRaygun # Em cenários específicos (role para baixo até ordem alfabética 'H' na coluna da esquerda).
  • Mikhail Bulgakov exagerado o efeito biológico (bioestimulação laser) de luz vermelha intensa em seu romance sci-fi Ovos Fatal (1925), sem qualquer descrição razoável da fonte dessa luz vermelha. (Nesse romance, a luz vermelha aparece pela primeira vez, ocasionalmente, a partir do sistema de iluminação de um microscópio avançado; em seguida, o protagonista Prof. Persikov organiza o set-up especial para a geração da luz vermelha.)
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