lasers quimica fisica

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Faculdade de Engenharia
Lasers
OpE - MIB 2007/2008
OpE 0708
Lasers II 2
Faculdade de Engenharia
⇔
En
e
rg
ia
Nível fundamental
Nível excitado
Física dos lasers – Princípios físicos
Em Mecânica Quântica, as vibrações moleculares e atómicas
correspondem a níveis de energia excitados. 
∆E = hν
O átomo está a vibrar
à frequência ν
O átomo está pelo menos parcialmente
num estado excitado
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Átomos excitados emitem fotões espontaneamente.
Quando um átomo num estado excitado “cai” para um estado de energia inferior, ele
emite um fotão.
As moléculas permanecem, em geral, excitadas não mais do que alguns
nanosegundos. Tal designa-se, por vezes, de fluorescência, ou , para tempos 
maiores, por fosforescência.
En
e
rg
ia
Nível fundamental
Nível excitado
Física dos lasers – Princípios físicos
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Átomos e moléculas podem também absorver fotões, efectuando então
uma transição de um nível energético inferior para um superior.
En
e
rg
ia
Nível fundamental
Nível excitado
Física dos lasers – Princípios físicos
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Lasers II 5
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Ni é a densidade de 
moléculas no estado
i (i.e., o número de 
moléculas por cm3).
T é a temperatura, e 
kB é a constante de 
Boltzmann.
T em ºK
kB=1,38x10-23 J/K
[ ]exp /i i BN E k T∝ −
En
e
rg
ia
Densidade da população
N1
N3
N2
E3
E1
E2
Física dos lasers – Princípios físicos
Em que níveis de energia as moléculas se encontram? ����
���� Factores de população de Boltzmann 
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Factores de população de Boltzmann
Na ausência de colisões, as 
moléculas tendem a permanecer
no estado energético mais baixo
disponível. 
Colisões podem provocar transições
para níveis energéticos superiores.
Quanto mais alta a temperatura, maior
a probabilidade de tal acontecer. 
[ ]
[ ]
22
1 1
exp /
exp /
B
B
E k TN
N E k T
−
=
−
T baixa
En
e
rg
ia
Moléculas
3
2
1
T alta
En
e
rg
ia
Moléculas
2
1
3
Física dos lasers – Princípios físicos
No equilíbrio, a razão das populações dos dois estados é:
N2 / N1 = exp(–∆∆∆∆E/kBT ), onde ∆∆∆∆E = E2 – E1 = hνννν
Como resultado, estados de energia alta são sempre menos populacionados que o 
estado fundamental, sendo a absorção superior à emissão estimulada.
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Antes Após
Absorção
Emissão estimulada
Emissão espontânea
Física dos lasers – Princípios físicos
Em 1916 Einstein mostrou que um outro processo poderia ocorrer ����
���� emissão estimulada
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Meio excitado
Se um meio tem muitas moléculas excitadas, um fotão pode “gerar” muitos. 
Física dos lasers – Princípios físicos
Emissão estimulada pode conduzir a uma reacção em cadeia ���� emissão laser
Tal é a essência do laser. O factor pelo qual o feixe de entrada é amplificado pelo meio
designa-se por ganho; representa-se por G.
Quanto mais alta a temperatura, maior a probabilidade de tal acontecer. 
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É usual perdas adicionais ocorrerem, tais como absorção, “scattering” e reflexões. Em
geral, o laser emitirá luz laser numa volta completa se: 
Ganho > Perdas Diz-se alcançar o Limiar (“Threshold”)
Um laser funciona como tal se o feixe aumenta de intensidade durante uma volta
completa (“round trip”): 
3 0I I≥
R = 100% R < 100%
I0 I1
I2I3 Meio laser 
com ganho, G
Física dos lasers – Princípios físicos
O LASER
O laser é um meio que armazena energia, ladeado por dois espelhos – um espelho
parcialmente reflector permite parte da luz sair para o exterior.
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Física dos lasers – Princípios físicos
Os coeficientes de Enstein A e B:
Relembrar os vários mecanismos que ocorrem num meio laser: 
Taxa de absorção = B N1 I
Taxa de emissão espontânea = A N2
Taxa de emissão estimulada = B N2 I
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Ganho laser
Desprezando a emissão espontânea:
[ ]
2 1
2 1
dI dI
c BN I - BN I
dt dz
 B N - N I
= ∝
∝
[ ]{ }2 1( ) (0) expI z I N N zσ= −
[ ]{ }2 1expG N N Lσ≡ −
[Emissão estimulada menos absorção]
A constante de proporcionalidade é
“absorption/gain cross-section, σσσσ”
[ ]2 1g N N σ≡ −
[ ]1 2N Nα σ≡ −
If N2 > N1:
If N2 < N1 :
Pode haver ganho ou perda expoencial. 
Em geral, N2 < N1, existe perda (absorção). Mas se N2 > N1, existe ganho G, 
sendo definido por:
A equação da irradiância é:
Meio laser
I(0)
z
L0
I(L)
Física dos lasers – Princípios físicos
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N2 > N1
En
e
rg
ia
Inversão
Moléculas
“Temperatura
negativa”
Física dos lasers – Princípios físicos
Inversão da população
De modo a ter-se G > 1, a emissão estimulada deve exceder a absorção:
B N2 I > B N1 I
Ou, equivalentemente,
Esta condição designa-se por inversão da população.
Não ocorre na Natureza. É, inerentemente, um estado
De não-equilíbrio.
De modo a conseguir-se esta inversão, o meio laser deve ser, de algum modo, 
fortemente excitado e a sua escolha adequada.
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Condição de inversão: Bombagem do meio laser
Considere-se a intensidade I de uma fonte de luz (lâmpada de flash) usada para
bombear energia para o meio laser:
R = 100% R < 100%
I0 I1
I2I3 Meio laser
I
Será esta intensidade suficiente para se alcançar inversão da população, N2 > N1?
Depende do sistema de níveis energéticos do meio laser
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Sistemas de 2-, 3- e 4- níveis energéticos
No melhor dos casos, 
níveis com a mesma
população. Não há
emissão laser!!
Demorou algum tempo até os cientistas perceberem que os sistemas de 4 níveis são
melhores. 
Emissão laser é
fácil!
Se intensidade de 
bombagem for 
elevada, existe
emissão laser
Física dos lasers – Princípios físicos
Sistema de 2-
níveis
Transição
Laser
Transição
devida à
bomba
Sistema de 4-
níveis
Sistema de 3-
níveis
Decaimento
rápido
Transição
Laser
Transição
devida à
bomba
Transição
devida à
bomba
Decaimento
rápido
Transição
Laser
Decaimento
rápido
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Tipos de lasers
• Lasers de estado sólido, o material laser apresenta uma matriz sólida (tal como o rubi
ou neodymium:yttrium-aluminum garnet "YAG"). Lâmpadas de flash são as fontes mais
comuns usadas como bombas. O laser de Nd:YAG laser emite luz no IV a 1064 nm.
• Lasers semicondutores, também chamados de díodos lasers, são junções pn. A fonte
de bombagem é uma corrente eléctrica. Aplicações: impressoras laser e leitores de CD. 
Lasers de corantes, usam corantes orgânicos complexos, como meio activo, tais como
a rodamina 6G, em solução líquida ou em suspensão. São sintonizáveis sobre uma
gama alargada do espectro electromagnético. 
• Lasers a gás, são bombeados por corrente. He-Ne emitem no vísivel e no IV próximo. 
Lasers de árgon emitem no vísivel e UV. Lasers de CO2 emitem no IV distante (10.6 µm).
• Lasers de excímeros, (da junção dos termos “excited” e “dimers”) usam gases 
reactivos, tais como cloro e flúor, misturados com gases inertes como árgon, krypton ou
xénon. Quando electricamente estimulados, uma pseudo molécula (“dimer”) é produzida. 
Estes lasers emitem no UV. 
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O laser de rubi
Inventadoem 1960 por Ted Maiman dos 
Hughes Research Labs, foi o 1ºlaser a 
ser construído.
O rubi é um sistema de 3-níveis, donde é
difícil obter emissão laser.
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Lasers de corantes (“Dye”)
Os lasers de corantes são sistemas de 4-níveis ideais, tendo acção laser numa gama
alargada de cerca de ~100 nm.
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Níveis de energia de um corante
O nível 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 são tão próximos do ideal que é difícil “pará-los” de emitir luz
laser em todas as direcções! 
Pump Transition
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Os lasers de corantes cobrem a gama do visível, IV-próximo e UV-próximo. 
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O laser de hélio-néon: He-Ne
Electrões energéticos numa
descarga de incandescência
colidem com átomos de He, 
excitando-os; estes, por sua vez, 
colidem e transferem a excitação
para os átomos de Ne, os quais
são um sistema de 4-níveis ideal. 
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Laser de dióxido de carbono: CO2
O laser de CO2 laser funciona de modo análogo: N2 é bombeado, transferindo a 
energia para CO2.
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