A amplificação de luz por emissão estimulada de radiação, ou simplesmente laser, é um dispositivo que cria e amplifica radiação eletromagnética de frequência específica por meio de processo de emissão estimulada. No laser, todos os raios de luz têm o mesmo comprimento de onda e são coerentes; eles podem viajar longas distâncias sem se difundir.
Para entender como funcionam os lasers, devemos entender como um átomo emite luz. Um átomo é a menor partícula do mundo e contém elétrons. Ao introduzir fótons extras no átomo, os elétrons são forçados a passar para um nível de energia mais elevado, e agora o átomo está em um estado excitado. Porém, o átomo excitado é instável e os elétrons sempre tentam voltar ao seu estado fundamental, liberando assim o excesso de energia que ganhou originalmente, na forma de um fóton de radiação luminosa. Este processo é denominado emissão espontânea, conforme mostrado na figura abaixo. 1.
O laser contém uma câmara na qual os átomos de um meio são excitados, trazendo seus elétrons para órbitas mais altas com estados de energia mais elevados. Quando um desses elétrons desce para um estado de energia mais baixo, ele libera sua energia extra na forma de um fóton com uma frequência específica. Ao introduzir mais fótons no sistema, os fótons eventualmente encontrarão outro átomo com um elétron excitado, o que estimulará esse elétron a voltar ao seu estado original, emitindo dois ou mais fótons com a mesma frequência do primeiro e em fase com ele. . Este efeito propaga-se em cascata pela câmara, estimulando constantemente outros átomos a emitirem fotões ainda mais coerentes, e este processo é chamado de emissões estimuladas. Em outras palavras, a luz foi amplificada, conforme mostrado abaixo na Figura 2
Além disso, os espelhos em ambas as extremidades da câmara fazem com que a luz salte para frente e para trás no meio. Um dos espelhos é parcialmente transparente, permitindo que o feixe de laser saia daquela extremidade da câmara. Ao manter um número suficiente de átomos no meio por fonte de energia externa no estado de energia mais elevado, as emissões são continuamente estimuladas, e esse processo é chamado de inversão populacional. Em última análise, ele cria um fluxo de fótons coerentes que é um feixe muito concentrado de poderosa luz laser. Os lasers têm muitos usos industriais, militares e científicos, incluindo soldagem, detecção de alvos, fotografia microscópica, fibra óptica, cirurgia e etc.
Tipos de laser:
Existem muitos tipos diferentes de lasers e abaixo estão os cinco tipos principais.
1. Lasers de gás – ex. Laser de gás HeNe e lasers de CO2 que emitem centenas de watts de potência. Geralmente são utilizados para corte e soldagem nas indústrias.
2. Lasers químicos – alimentados por reação química que permitem grande quantidade de energia, principalmente para uso militar e de comprimento de onda muito elevado. Ex. Laser de fluoreto de hidrogênio 2700nm.
3. Lasers de estado sólido – bombeados opticamente através do uso de meio sólido dopado, como cristal ou vidro dopado com íons. Um exemplo seria um ponteiro laser.
4. Lasers de fibra – a luz é guiada devido à reflexão interna na fibra óptica. Eles são amplamente conhecidos hoje em dia por sua alta potência de saída e alta qualidade óptica, bem como longa vida útil. A razão se deve às propriedades das fibras que proporcionam uma alta relação entre área superficial e volume, o que permite um resfriamento eficiente ao suportar quilowatts de potência de saída contínua. As propriedades de orientação de ondas da fibra ajudam a manter a força do sinal e minimizar a distorção. Os lasers de fibra são amplamente utilizados hoje em dia para telecomunicações que se espalham por regiões com vários quilômetros de extensão.
5. Lasers semicondutores – bombeados eletricamente
a) Diodos emissores de luz (LEDs) - Em um diodo formado a partir de um semicondutor de bandgap direto, como o arsenieto de gálio, os portadores que cruzam a junção emitem fótons quando se recombinam com o portador majoritário do outro lado. Dependendo do material, podem ser produzidos comprimentos de onda (ou cores) do infravermelho ao ultravioleta próximo. Todos os LEDs produzem luz incoerente e de espectro estreito. Os LEDs também podem ser usados como fotodiodos de baixa eficiência em aplicações de sinalização. Um LED pode ser emparelhado com um fotodiodo ou fototransistor no mesmo pacote, para formar um opto-isolador.
b) Diodos laser - Quando uma estrutura semelhante a um LED está contida em uma cavidade ressonante formada pelo polimento das faces finais paralelas, um laser pode ser formado. Os diodos laser são comumente usados em dispositivos de armazenamento óptico e para comunicação óptica de alta velocidade.
O diodo laser é um laser onde o meio é um semicondutor, formado por uma junção pn, conforme mostrado na Figura 3, e alimentado por corrente elétrica. Para diferentes tipos de estruturas de diodo laser, consulte o Apêndice 3. Basicamente, um diodo laser é uma combinação de chip semicondutor que emite luz coerente e um chip fotodiodo monitor para controle de feedback da saída de energia, em uma caixa hermeticamente embalada e selada.
Os materiais semicondutores usados para criar diodos de junção pn que emitem luz hoje são: arsenieto de gálio, fosfeto de índio, antimoneto de gálio e nitreto de gálio. A razão pela qual eles estão sendo usados é por causa das propriedades de três a cinco compostos na tabela periódica química. Os materiais têm que ser fortemente dopados para criar regiões P – N, o que exclui outras, deixando os grupos três a cinco como as opções ideais.
Seus comprimentos de onda podem ser ajustados alterando a proporção da composição. Por exemplo, o comprimento de onda do feixe de laser produzido pelo substrato InP pode ser aumentado aumentando o teor de índio ou diminuindo a percentagem de teor de fosfato. Comprimento de onda mais longo geralmente indica uma distância de viagem mais longa.
De acordo com a Wikipedia, os diodos laser são numericamente o tipo mais comum de laser, com vendas em 2004 de aproximadamente 733 milhões de lasers de diodo, em comparação com 131,{3}} de outros tipos de lasers. Os diodos laser são amplamente utilizados nas telecomunicações como fontes de luz facilmente moduladas e acopladas para comunicação por fibra óptica.
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