Lasers mines/OpE/Acetatos/Lasers/   Quando um tomo num estado excitado...

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    Faculdade de Engenharia

    Lasers

    OpE - MIB 2007/2008

    OpE 0708Lasers II 2

    Faculdade de Engenharia

    Ene

    rgia

    Nvel fundamental

    Nvel excitado

    Fsica dos lasers Princpios fsicos

    Em Mecnica Quntica, as vibraes moleculares e atmicascorrespondem a nveis de energia excitados.

    E = h

    O tomo est a vibrar frequncia

    O tomo est pelo menos parcialmentenum estado excitado

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    tomos excitados emitem fotes espontaneamente.

    Quando um tomo num estado excitado cai para um estado de energia inferior, eleemite um foto.

    As molculas permanecem, em geral, excitadas no mais do que algunsnanosegundos. Tal designa-se, por vezes, de fluorescncia, ou , para tempos maiores, por fosforescncia.

    Ene

    rgia

    Nvel fundamental

    Nvel excitado

    Fsica dos lasers Princpios fsicos

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    tomos e molculas podem tambm absorver fotes, efectuando entouma transio de um nvel energtico inferior para um superior.

    Ene

    rgia

    Nvel fundamental

    Nvel excitado

    Fsica dos lasers Princpios fsicos

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    Ni a densidade de molculas no estadoi (i.e., o nmero de molculas por cm3).

    T a temperatura, e kB a constante de Boltzmann.

    T em K

    kB=1,38x10-23 J/K

    [ ]exp /i i BN E k T

    Ene

    rgia

    Densidade da populao

    N1

    N3

    N2

    E3

    E1

    E2

    Fsica dos lasers Princpios fsicos

    Em que nveis de energia as molculas se encontram? Factores de populao de Boltzmann

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    Factores de populao de Boltzmann

    Na ausncia de colises, as molculas tendem a permanecerno estado energtico mais baixodisponvel.

    Colises podem provocar transiespara nveis energticos superiores.Quanto mais alta a temperatura, maiora probabilidade de tal acontecer.

    [ ][ ]

    22

    1 1

    exp /exp /

    B

    B

    E k TNN E k T

    =

    T baixa

    Ene

    rgia

    Molculas

    32

    1

    T alta

    Ene

    rgia

    Molculas

    2

    1

    3

    Fsica dos lasers Princpios fsicos

    No equilbrio, a razo das populaes dos dois estados :

    N2 / N1 = exp(E/kBT ), onde E = E2 E1 = hComo resultado, estados de energia alta so sempre menos populacionados que o estado fundamental, sendo a absoro superior emisso estimulada.

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    Antes Aps

    Absoro

    Emisso estimulada

    Emisso espontnea

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    Em 1916 Einstein mostrou que um outro processo poderia ocorrer emisso estimulada

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    Meio excitado

    Se um meio tem muitas molculas excitadas, um foto pode gerar muitos.

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    Emisso estimulada pode conduzir a uma reaco em cadeia emisso laser

    Tal a essncia do laser. O factor pelo qual o feixe de entrada amplificado pelo meiodesigna-se por ganho; representa-se por G.Quanto mais alta a temperatura, maior a probabilidade de tal acontecer.

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    usual perdas adicionais ocorrerem, tais como absoro, scattering e reflexes. Emgeral, o laser emitir luz laser numa volta completa se:

    Ganho > Perdas Diz-se alcanar o Limiar (Threshold)

    Um laser funciona como tal se o feixe aumenta de intensidade durante uma voltacompleta (round trip):

    3 0I I

    R = 100% R < 100%

    I0 I1

    I2I3 Meio laser com ganho, G

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    O LASER

    O laser um meio que armazena energia, ladeado por dois espelhos um espelhoparcialmente reflector permite parte da luz sair para o exterior.

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    Os coeficientes de Enstein A e B:

    Relembrar os vrios mecanismos que ocorrem num meio laser:

    Taxa de absoro = B N1 I

    Taxa de emisso espontnea = A N2

    Taxa de emisso estimulada = B N2 I

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    Ganho laserDesprezando a emisso espontnea:

    [ ]2 1

    2 1

    dI dIc BN I - BN I

    dt dz B N - N I

    =

    [ ]{ }2 1( ) (0) expI z I N N z=

    [ ]{ }2 1expG N N L

    [Emisso estimulada menos absoro]

    A constante de proporcionalidade absorption/gain cross-section,

    [ ]2 1g N N

    [ ]1 2N N If N2 > N1:

    If N2 < N1 :

    Pode haver ganho ou perda expoencial. Em geral, N2 < N1, existe perda (absoro). Mas se N2 > N1, existe ganho G, sendo definido por:

    A equao da irradincia :

    Meio laser

    I(0)

    zL0

    I(L)

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    N2 > N1

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    Inverso

    Molculas

    Temperaturanegativa

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    Inverso da populao

    De modo a ter-se G > 1, a emisso estimulada deve exceder a absoro:

    B N2 I > B N1 I

    Ou, equivalentemente,

    Esta condio designa-se por inverso da populao.No ocorre na Natureza. , inerentemente, um estadoDe no-equilbrio.

    De modo a conseguir-se esta inverso, o meio laser deve ser, de algum modo, fortemente excitado e a sua escolha adequada.

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    Condio de inverso: Bombagem do meio laser

    Considere-se a intensidade I de uma fonte de luz (lmpada de flash) usada parabombear energia para o meio laser:

    R = 100% R < 100%

    I0 I1

    I2I3 Meio laser

    I

    Ser esta intensidade suficiente para se alcanar inverso da populao, N2 > N1?

    Depende do sistema de nveis energticos do meio laser

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    Sistemas de 2-, 3- e 4- nveis energticos

    No melhor dos casos, nveis com a mesmapopulao. No h

    emisso laser!!

    Demorou algum tempo at os cientistas perceberem que os sistemas de 4 nveis somelhores.

    Emisso laser fcil!

    Se intensidade de bombagem for elevada, existeemisso laser

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    Sistema de 2-nveis

    TransioLaser

    Transiodevida bomba

    Sistema de 4-nveis

    Sistema de 3-nveis

    Decaimentorpido

    TransioLaser

    Transiodevida bomba

    Transiodevida bomba

    Decaimentorpido

    TransioLaser

    Decaimentorpido

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    Tipos de lasers Lasers de estado slido, o material laser apresenta uma matriz slida (tal como o rubi

    ou neodymium:yttrium-aluminum garnet "YAG"). Lmpadas de flash so as fontes mais

    comuns usadas como bombas. O laser de Nd:YAG laser emite luz no IV a 1064 nm.

    Lasers semicondutores, tambm chamados de dodos lasers, so junes pn. A fonte

    de bombagem uma corrente elctrica. Aplicaes: impressoras laser e leitores de CD.

    Lasers de corantes, usam corantes orgnicos complexos, como meio activo, tais como

    a rodamina 6G, em soluo lquida ou em suspenso. So sintonizveis sobre uma

    gama alargada do espectro electromagntico.

    Lasers a gs, so bombeados por corrente. He-Ne emitem no vsivel e no IV prximo.

    Lasers de rgon emitem no vsivel e UV. Lasers de CO2 emitem no IV distante (10.6 m).

    Lasers de excmeros, (da juno dos termos excited e dimers) usam gases

    reactivos, tais como cloro e flor, misturados com gases inertes como rgon, krypton ou

    xnon. Quando electricamente estimulados, uma pseudo molcula (dimer) produzida.

    Estes lasers emitem no UV.

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    O laser de rubi

    Inventado em 1960 por Ted Maiman dos Hughes Research Labs, foi o 1laser a ser construdo.

    O rubi um sistema de 3-nveis, donde difcil obter emisso laser.

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    Lasers de corantes (Dye)

    Os lasers de corantes so sistemas de 4-nveis ideais, tendo aco laser numa gamaalargada de cerca de ~100 nm.

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    Nveis de energia de um corante

    O nvel inferior do laser pode ser qualquer um da banda S0.

    S0: Ground electronic state

    manifold

    S1: 1st excited electronic state

    manifold

    Laser Transitions

    Os lasers de corantes so to prximos do ideal que difcil par-los de emitir luzlaser em todas as direces!

    Pump Transition

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    Os lasers de corantes cobrem a gama do visvel, IV-prximo e UV-prximo.

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    O laser de hlio-non: He-Ne

    Electres energticos numadescarga de incandescnciacolidem com tomos de He, excitando-os; estes, por sua vez, colidem e transferem a excitaopara os tomos de Ne, os quaisso um sistema de 4-nveis ideal.

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    OpE 0708Lasers II 21

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    Laser de dixido de carbono: CO2

    O laser de CO2 laser funciona de modo anlogo: N2 bombeado, transferindo a energia para CO2.

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