Eletrônica, Luz, Mecânica quântica, Partículas subatômicas

Tipos de laser (Parte 1, lasers de gás)

Este é o primeiro post da série dos tipos de laser. O assunto de hoje é o funcionamento dos principais lasers de gás, criados na década de 1960.

Clique no botão abaixo para saber o princípio de funcionamento do laser.

Como funciona o laser?Clique aqui

Lasers He-Ne

Este foi o primeiro laser de onda contínua (CW) construído, este tipo emite um feixe de luz contínuo com energia constante. O meio ativo é uma mistura de gases hélio (He) e neônio (Ne) (Helium-Neon Gas Mixture). Contém proporções He:Ne entre 7:1 e 10:1. Ou seja, deve haver 7 ou 10 vezes mais pressão de He do que de Ne. Possui um tubo de boro oco (Laser Bore Tube) dentro da cavidade ótica de vidro (Glass Tube) e eletrodos (Anode/Cathode) para produzir uma diferença de potencial DC de milhares de volts.

lasers de He-Ne
Fonte: bertolo.pro.
Os átomos de hélio precisam ser excitados primeiro para obter a inversão de população (population inversion), quando há mais elétrons no estado metaestável E_{2} do que no estado mais estável E_{1} de menor energia. 3 ou mais estados de energia são necessários para obter esta condição.

Produz luz vermelha com comprimento de onda a 632,8 nm. Mas pode ser construído para produzir luz infravermelho a 1152,3 nm ou luz verde a 543,5 nm. A potência é de alguns miliwatts e o comprimento de onda é estável. Porém, a eficiência e o ganho são baixos.

Aplicações

O laser de He-Ne é utilizado em laboratórios de física para aplicações didáticas, em instrumentação e holografia.

Lasers de CO_{2}

lasers de CO2
Fonte: NLC laser.

O meio ativo é uma mistura de dióxido de carbono (CO_{2}) e nitrogênio (N_{2}). Assim como o laser He-Ne, também precisa de uma fonte DC para energizar os elétrons de nitrogênio e fazer a inversão de população.

esquemático laser CO2
Cooling liquid = líquido de resfriamento. Fonte: XT laser.

Os lasers de CO_{2} também são de onda contínua. Operam no infravermelho, com comprimentos de onda entre 9,6 e 10,6 μm. Possuem potência acima de 10 kW e eficiência de 30%.

Aplicações

O laser de CO_{2} é usado em aplicações industrias como: corte de chapa, solda e perfuração. E em aplicações médicas como cirurgias e tratamento de pele.

Lasers de íon argônio

lasers de íon-argônio
Fonte: Wikimedia.

O meio ativo é o argônio ionizado (Ar^{+} ou Ar^{+}), com menos um ou dois elétrons respectivamente. Este laser de onda contínua pode operar em vários comprimentos de onda que vão do infravermelho próximo até o ultravioleta. Porém, a luz é mais intensa nos comprimentos de onda de 448 nm (luz azul) e 514 nm (luz verde). São mais potentes do que o de He-Ne, mas menos do que o de dióxido de carbono. A potência pode variar entre alguns miliwatts até 100 W.

bandas de energia do laser
Diagrama dos níveis de energia do laser de argônio.
Fonte: Laser Adventure by Rami Ariele.

Estrutura

O argônio fica dentro de um tubo de óxido de berílio (BeO). Uma alta tensão elétrica é usada para ionizar o argônio. Em um lado há um filamento de catodo (Filament/Cathode), cuja função é criar um campo magnético para manter os íons no centro, pois tendem a se afastarem, devido aos íons terem carga de sinais iguais.

Estrutura típica do laser de íon argônio
Estrutura típica do laser de íon argônio. Fonte: uniba.it.

Este tipo possui uma eficiência muito baixa, por volta de 0,1%, grande parte da energia é dissipada em forma de calor, produzido pela densidade de corrente no centro do tubo. Por isso, é necessária alta potência para ligar o laser. Para controlar a temperatura, há um resfriamento por água ao redor do tubo e/ou aletas de resfriamento (Cooling Fins).

Aplicações

O laser de íon argônio é usado em cirurgias no olho, devido a alta precisão. Além de ser aplicado em litografia, espectroscopia Raman, entretenimento, holografia, impressão de alta velocidade e medicina forense.

Outros tipos

Existem outros tipos de laser a gás como o de kriptônio, que funciona de forma semelhante ao de argônio e o He-Cd, com cádmio no lugar de neônio.

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