raios laser -aPRESENTAÇÃO

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L IGTH
A MPLIFICATION
S TIMULATED
E MISSION
R ADIATION 
LASER
Não concordo com o acordo ortográfico
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
1
L IGTH
A MPLIFICATION
S TIMULATED
E MISSION
R ADIATION 
MONOCROMÁTICA: Significa que é constituída por uma única cor, não decomponível por meio de um prisma. 
COERENTE: Significa que além de ser monocromática, ao longo de todo o seu percurso e em todas as direcções, mantém a mesma fase e a mesma amplitude. 
INTENSA: A intensidade do feixe Laser está ligada a sua direcionalidade e luminância. Para se ter uma idéia prática, basta pensar que um feixe de luz Laser de 0,5 miliwatt (0,0005 Watt) produz uma luz mais intensa do que uma lâmpada normal de 100 Watts. 
COLIMADA: É a fonte luminosa mais colimada que existe; o desvio de um feixe de Laser ronda mediamente o milésimo de radiano. Significa que, depois de ter percorrido mil metros, o feixe fica com cerca de um metro de diâmetro somente.
O efeito físico por detrás de seu funcionamento é a emissão estimulada, descoberta pelo físico Albert Einstein, como condição necessária ao equilíbrio térmico da radiação com a matéria. Einstein descobriu, através de considerações teóricas, que não apenas um átomo absorve um fotão (a partícula de luz) incidente e o reemite ao acaso após certo tempo (emissão espontânea), mas que também este mesmo átomo pode reemitir um outro fotão devido á interação (excitação) do fotão incidente absorvido. O fotão reemitido tem a mesma frequência do fotão que o estimulou e, igualmente importante, tem a mesma fase.
Laser - Características
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser- Características
Monocromático
A radiação que ocorre a um único comprimento de onda ou cor.
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Num laser, a radiação é produzida por amplificação estimulada da luz. Ela resulta das emissões de átomos e moléculas estimuladas por um campo electromagnético. Neste processo, as fases dos campos dos fotões emitidos estão correlacionadas e, em consequência, a radiação é coerente. Além disso, a radiação também é altamente monocromática, isto é, o seu espectro de frequência é bastante estreito.
A radiação produzida por uma lâmpada incandescente ou por um LED, é composta por fotões emitidos espontaneamente por átomos ou moléculas independentes. No processo de emissão espontânea, um sistema quântico passa de um nível energético para outro de menor energia, devido a flutuações aleatórias. Consequentemente, a fase do campo resultante varia aleatoriamente no tempo e no espaço, fazendo com que a radiação seja incoerente.
Luz coerente/Incoerente
Diodo de laser é um LED melhorado, no sentido em que utiliza emissão estimulada em semicondutores de transições ópticas entre a distribuição de estados de energia das bandas de valência e da banda de condução, com uma estrutura ressonante óptica tal, como ressonador Fabry-Perot com ambos os confinamentos ópticos e de transportadores de cargas.
Laser- Características
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser- Características
Isso significa que todas as ondas vibram em fase, construtivamente reforçando cada onda adjacente.
 Interferência Construtiva
Luz Coerente
 Interferência Destrutiva
Luz Incoerente
=
=
A.
B.
INTERFERÊNCIA ÓPTICA
Luz coerente/Incoerente
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser- Características
Luz colimada
Isso significa que os raios estão viajando na mesma direcção em trajectórias paralelas..
Fonte
Área alvo
A
Fonte
Lente de colimação
B
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser - Características
Emissão de Fotões
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser - Características
Luz Monocromática
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser - Características
Luz Monocromática
Luz Branca
Luz Laser
Encarnado
Amarelo
Verde
Azul
Violeta
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser- Características
Luz coerente
Luz Colimada
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser- Características
Modos
Contínuo (CW)
Pulsado (PW)
t
p
t
Pulse energy Qp
Average power
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
histórico
Laser
A palavra laser significa Amplificação da Luz por Emissão Estimulada da radiação (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). A luz originada no sol ou de uma lâmpada, é emitida espontaneamente quando átomos ou moléculas libertam o excesso de energia sem nenhuma intervenção externa. A emissão estimulada é diferente, pois os átomos ou moléculas libertam o excesso de energia quando são estimulados. 
No início dos anos 50, surgiu um sistema notável conhecido por maser, fruto dos esforços de numerosos cientistas, entre os quais se deve destacar Charles Townes, Alexander Prokhorov e Nikolai Basov, que vieram a dividir o prémio Nobel de Física em 1964 . O maser, que significa amplificação de microondas por emissão estimulada da radiação (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) é um amplificador de microondas caracterizado por um nível de ruído extremamente reduzido. 
O maser, funciona de um modo pouco convencional e depende directamente das características da interacção quântica entre a matéria e a energia radiante. Em vez de átomos excitados, Townes usou moléculas de amónia como meio activo. Ao ser excitada por um agente externo a molécula de amónia entra em vibração com uma frequência de microondas. Daí, o processo de emissão estimulada gera um feixe coerente de microondas. 
Logo que o maser foi demonstrado, começou imediatamente a busca por um maser óptico, isto é, um dispositivo que emitisse um feixe coerente com frequência na região da luz visível. Townes e Arthur Schawlow propuseram um arranjo com uma cavidade contendo o meio activo e dois espelhos. 
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation
histórico
Laser
“Pelo seu trabalho fundamental, no campo da electrónica quântica, que levou á construção de osciladores e amplificadores, baseados no princípio maser-laser.” 
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
histórico
Laser
O laser é considerado uma das maiores invenções do século 20 sendo sinónimo de alta tecnologia. A tecnologia laser é uma ferramenta muito importante em diversas áreas, como por exemplo, na medicina onde é utilizado em cirurgias e em telecomunicações, servindo de fonte nas transmissões de sinais ópticos. Até há pouco tempo atrás, os lasers eram considerados objectos exóticos, usados apenas em laboratórios de pesquisa, projectos militares, grandes indústrias e filmes tipo Guerra nas Estrelas. Hoje, a grande maioria da população possui pelo menos um laser em casa: o que está na aparelhagem de tocar CDs (compact disk). Além disso, é possível encontrá-los na vida cotidiana, como por exemplo, em supermercados nos leitores ópticos de código de barras, e em impressora a laser, discos rígidos de PCs, rapto dos PCs, apontadores de aulas interactivas…
Finalmente em 1960, Theodore Maiman anunciou o funcionamento do primeiro maser óptico, ou laser, cujo o meio activo era um cristal de rubi.
O primeiro laser – um laser de rubi, devido a Maiman, contém todos os elementos fundamentais que continuam a estar presentes nos lasers actuais, desde os mais simples, até aos mais complexos. O primeiro laser civil em Portugal, que esteve em exibição na exposição “À Luz de Einstein”, na Fundação Calouste Gulbenkian, é semelhante ao primeiro desenvolvido por Maiman e ilustra os componentes fundamentais de qualquer laser. 
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Histórico: Legado de Einstien
Laser
Em 1917 Einstein publicou um estudo sobre o equilíbrio dinâmico para um meio material imerso em radiação electromagnética, absorvendo-a e reemitindo-a.
Absorção e emissão: A probabilidade da emissão estimulada é idêntica à probabilidade da absorção estimulada. 
O argumento de Einstein
Equilíbrio:
Espontânea
Estimulada
Absorção
Em equilíbrio
térmico:
No limite clássico (T infinita):
O conceito de radiação a Laser foi primeiramente concebido no “The Quantum Theory of Radiation” de Einstein, publicado em 1917. 
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Histórico: Legado de Einstien
Laser
O argumento de Einstein (Cont.)
Resolvendo para u (n):
Ou:
(Parecida com a de Planck)
Planck:
Então:
Isto é, emissão estimulada é proporcional a emissão espontânea em equilíbrio. 
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
“Quando a luz incide num conjunto de átomos, a emissão estimulada e a absorção são igualmente prováveis” (Einstein, 1917)
Normalmente, ocorre absorção, porque os átomos se encontram no estado fundamental.
Se conseguirmos ter mais átomos excitados do que no nível fundamental (N1>N0), podemos ter amplificação em vez de absorção. A esta situação chamamos Inversão de população
A inversão de população, é o número de átomos em estado excitado, versus o número de átomos no estado fundamental. 
Inversão de população
Em equilíbrio térmico: Distribuição de Boltzmann  não pode haver inversão.
Com uma fonte de energia externa, os átomos são excitados para um nível E3, decaem rapidamente para E2, e mantêm-se por aí durante algum tempo…
Temos uma inversão de
população!
(N2 > N1: mas é necessário sistema com pelo menos 3 níveis).
Processos fundamentais, propriedades do fotão (partícula com energia e momento)!
Laser
Histórico: Legado de Einstien
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Sistemas de dois, três, e quatro níveis
Demorou algum tempo até se perceber que os sistemas a 4 níveis são, de facto, os melhores…
Na melhor das hipóteses, ficamos com populações iguais  não há efeito laser.
Excitação
(bombeamento)
Transição
Laser
Excitação
decay rápido
Moléculas acumulam-se
neste nível.
Transição
Laser
Excitação
decay rápido
Transição
Laser
decay rápido
Nível esvazia depressa
Laser, mas… os fotões são facilmente reabsorvidos.
Aqui, é + fácil
ter efeito laser!
Laser
Histórico: Legado de Einstien
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Processos fundamentais, propriedades do fotão (partícula com energia e momento)!
Absorção:
 ….de 1 fotão com energia ΔE = hν
 = E2 – E1  átomo transita para um estado excitado.
 Antes
Depois
Emissão espontânea:
 Um átomo num estado excitado, tem uma probabilidade constante de transitar para um estado inferior, emitindo 1 fotão de ΔE.
Emissão estimulada:
 Um átomo excitado + fotão incidente: aumento da probabilidade da emissão de Fotão emitido é idêntico ao incidente!
Amplificação da luz!
Histórico: Legado de Einstien
Laser
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Espelho
Espelho
E
E
Órbita
Órbita
Órbita
Órbita
Órbita
Laser
Emissão laser só é possível quando ganho supera as perdas! Ganho ocorre pela inversão de população (ou seja, níveis de energias mais altos, mais ocupados que níveis mais baixos); requer confinamento de portadores e fotões; resultando na geração de emissão estimulada.
O electrão é Bombeado para um nível de energia superior.
O nível Bombeado é instável, pelo que o electrão, logo salta para um nível ligeiramente inferior.
O electrão relaxa para um nível inferior de energia, libertando um fotão.
Luz e um electrão em estado excitado…
…Produz dois fotões do mesmo comprimento de onda e com a mesma fase.
Os espelhos reflectem parcialmente os fotões … emissão estimulada…
Histórico: Legado de Einstien
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Sistema Laser
Laser
De forma geral, o funcionamento de um laser depende de três componentes principais: 
o meio activo, 
a fonte de bombeamento.
 e a cavidade óptica ressonante. 
Cada componente possui variantes distintas, com vantagens e desvantagens que os tornam propícios a determinadas aplicações e determinam as características finais do laser.
Meio activo: O meio activo de um laser é o material em que ocorrem as transições energéticas com a emissão de fotões e a consequente amplificação da luz. Este meio pode ser gasoso, sólido ou líquido. Os lasers que utilizam meio de ganho sólido são denominados lasers de estado sólido. Os materiais para operação laser, devem possuir determinadas características propícias para sua aplicação, devendo-se levar em consideração, por exemplo, a largura das linhas de emissão e absorção, a eficiência quântica na transição de interesse, a resistência mecânica, entre outras. Os Lasers de estado sólido têm vantagens distintas sobre lasers que utilizam gases ou líquidos, uma vez que a robustez inerente ao meio sólido proporciona uma vida operacional maior.
Constituição
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Sistema Laser
Laser
Constituição (Cont,)
Bombeamento: A fonte de energia é responsável pela excitação do meio activo a um estado energético apropriado, realizando o bombeamento com energia resultante entre os níveis excitados e o fundamental. Para obter a amplificação de luz a partir de um dado meio activo precisamos de estabelecer uma inversão de população entre um par de níveis e  energia  adequados promover a emissão estimulada à custa da emissão espontânea. O mecanismo de bombeamento pode ser óptico, eléctrico, químico ou térmico.
Em lasers de estado sólido, o bombeamento óptico em geral é realizado por lâmpada ou por diodo lasers. Devido à procura por lasers compactos e de alto desempenho, tem-se tornado cada vez mais comum à utilização do diodo laser como fonte de bombeamento. Grande parte dos lasers desenvolvidos tradicionalmente utilizam a tecnologia de bombeamento por lâmpada; no entanto, os lasers de semicondutor têm-se expandindo rapidamente no mercado, e uma grande parcela dos lasers utilizados, está actualmente sendo substituída por lasers de estado sólido bombeados por diodo, tendo em vista as vantagens em termos de eficiência e tamanho, oferecidos pelo diodo laser.
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
É necessário um mecanismo de realimentação óptica. O feixe resultante da emissão estimulada é forçado a atravessar ciclicamente o meio activo, maximizando o processo de emissão estimulada. Tal consegue-se colocando o meio activo dentro de uma cavidade ressonante óptica. A cavidade diz-se ressonante (ou seja permite manter um padrão de ondas estacionárias) quando a distância L for múltiplo inteiro de meio comprimento de onda.
Cavidade Ressonante: Os fotões resultantes da emissão estimulada, têm que estar confinados no sistema, de forma a serem utilizados para desencadear mais processos de emissão estimulada. Se não confinarmos os fotões, o sistema irradia segundo todas as direcções, e não é possível sustentar o processo de emissão estimulada.
Sistema Laser
Laser
Constituição (Cont,)
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser
Mecanismo de Excitação
Meio Activo
Espelho de Transmissão Parcial
Espelho de Alta Reflexão
Mecanismo de Realimentação
Meio activo (ganho), que pode amplificar a luz que passa através dele.
Fonte de energia da bomba para criar uma inversão de população em meio de ganho.
Dois espelhos que formam uma cavidade ressonante.
Na maioria dos casos, o estado excitado tem uma vida muito breve, na ordem de 10 nanosegundos (1ns = 10-9s). E logo o átomo retorna ao estado fundamental. Entretanto, há átomos dotados de uma particular estrutura de níveis energéticos tal, que a excitação acarreta uma situação menos instável. Uma vez excitado, o átomo pode manter esse estado por lapsos de tempo muito superiores a 10 nanosegundos: milionésimos, milésimos, alguns segundos ou mesmo horas. Tais níveis são chamados metaestáveis. Para o efeito laser empregam-se, na prática, átomos dotados de níveis metaestáveis de energia. 
O laser só pode funcionar se a energia do feixe aumentar a cada passagem pelo meio activo,
Sistema Laser
Constituição (Cont,)
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser
Sistema Laser
Constituição (Cont,)
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser
Interruptor
Fonte de
Alimentação
Cristal de Rubi
Cilindro Reflector de Alumínio polido
Espelho 100% Reflector
Feixe Laser
Tubo flash de quartzo
O primeiro Laser : de Rubi 
Espelho 95% Reflector
Inventado em 1960 por Theodore Maiman nos Hughes Research Labs, foi o primeiro laser. O Rubi é um sistema a três níveis, portanto requer muita energia de bombeamento para a inversão.
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser
Fonte de Alimentação
Tubo flash com “Xénon”
Feixe Laser
5-10 mm
Interruptor
Fonte de Alimentação
Cristal de Rubi
Cilindro Reflector de Alumínio polido
Espelho 100% Reflector
Feixe Laser
Tubo flash de quartzo
Espelho 95% Reflector
A alimentação eléctrica de alta tensão faz com que o tubo de flash ligue e desligue. Cada vez que o tubo faz flash, energia é "bombeada" para o cristal de rubi. Os flashes injectam energia no cristal, sob a forma de fotões.
Quando um átomo absorve um fotão de energia, um dos seus electrões salta de um nível baixo de energia para um mais elevado. Isso coloca o átomo num estado animado, mas instável…
Átomos no cristal de rubi absorvem essa energia num processo chamado de absorção. 
O primeiro Laser de Rubi: (Cont.) 
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser
Interruptor
Fonte de Alimentação
Cristal de Rubi
Cilindro Reflector de Alumínio polido
Espelho 100% Reflector
Feixe Laser
Tubo flash de quartzo
Espelho 95% Reflector
Ele cai de volta ao seu nível original, emitindo a energia que ele absorveu como um novo fotão de radiação luminosa. Este processo é chamado de emissão espontânea.
 Porque o átomo animado é instável, o electrão pode permanecer no nível de energia mais alto apenas por alguns milésimos de segundo. 
Os fotões que os átomos emitem, oscilam para cima e para baixo dentro do cristal de rubi, viajando á velocidade da luz.
De vez em quando, um desses fotões atinge um átomo já animado. Quando isso acontece, o átomo animado emite dois fotões de luz em vez de um. Isto é chamado de emissão estimulada. Agora, um fotão de luz produziu dois, pelo que a luz foi amplificada (aumentado em força). por outras palavras, "amplificação da luz" (um aumento na quantidade de luz) foi causada por "emissão estimulada de radiação" (daí o nome "laser", porque isso é exactamente como funciona um laser!)
Um espelho numa extremidade do tubo de laser mantém os fotões que saltam para trás e para a frente no interior do cristal. Um espelho parcial na outra extremidade do tubo reflecte alguns fotões de volta para o cristal, mas permite alguma fuga.
Os fotões que escapam, formam um feixe muito poderoso concentrado de luz laser.
O primeiro Laser: de Rubi: (Cont.) 
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser
O primeiro Laser: de Rubi: (Cont.) 
Níveis de energia
Num breve resumo de como funciona o laser de rubi, uma intensa explosão de luz de uma lâmpada de flash excita os electrões do estado fundamental (4A2 em notação desenvolvida por espectroscopistas) para dois estados excitados (4T1 e 4T2). 
Os electrões então transitam para outro nível de energia (2E), e de lá eles voltam ao estado fundamental, emitindo luz em duas cores vermelho (cerca de 692,7 e 694,3 nm).
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser
Espectro Electromagnético 
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
O comprimento da luz Laser é normalmente nas zonas dos ultravioletas, visível, e infra vermelhos, do espectro Electromagnético.
Laser
Espectro Electromagnético 
Comprimento de onda  (cm)
10
-12
 10
-10
 10
-8
 10
-6
 10
-4
 10
-2
 10
0
 10
2
 10
4
 10
6
 10
8
raios -x
Raios - gamma
Ultra-
violeta
Infra-vermelho
Radar
Rádio
Ondas
Eléctricas
Ondas
Ionizante
Radiação
Visível
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
A radiação dos lasers Ultravioletas (UV), vai dos 200 nm aos 400 nm.
10
-12
 10
-10
 10
-8
 10
-6
 10
-4
 10
-2
 10
0
 10
2
 10
4
 10
6
 10
8
Raios-x
Raios-gamma 
Ultra-
violet
Infra-vermelho
Radar
Rádio
Ondas
Eléctricas
Ondas
Ionizante
Radiação
Comprimento de onda (cm)
Lasers Ultravioletas Comuns
Fluoreto Árgon
Cloreto Crípton
Fluoreto Crípton
Cloreto Xénon
Hélio
Cádmio
Nitrogénio
Fluoreto Xénon
193 nm
222 nm
248 nm
308 nm
325 nm
337 nm
351 nm
Ultra-
violet
Ultra-
violetas
Laser
Espectro Electromagnético 
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
A radiação dos lasers Infra-vermelhos (IR), vai dos 760 nm aos 10000 nm.
10
-12
 10
-10
 10
-8
 10
-6
 10
-4
 10
-2
 10
0
 10
2
 10
4
 10
6
 10
8
Raios-x
Raios-gamma 
Ultra-
violet
Radar
Rádio
Ondas
Eléctricas
Ondas
Ionizante
Radiação
Comprimento de onda (cm)
Ultra-
violet
Ultra-
violetas
Laser
Espectro Electromagnético 
Infra-vermelho
Lasers Infra-vermelhosComuns
Near Infrared
Far Infrared
Titânio
Safira
Hélio Néon
Nd:
YAG
Hélio Néon
Érbio
Fluoreto
Hidrogénio
Hélio Néon
Dióxido
Carbono
Dióxido
Carbono
800nm
840 nm
1,064 nm
1,150nm
1,504nm
2,700nm
3,390nm
9,600nm
10,600nm
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Violeta
Hélio Cádmio
441 nm
Azul
Crípton
476 nm
Árgon
488 nm
Verde
Vapor de Cobre
510 nm
Argon
514 nm
Crípton
528 nm
Frequência dupla Nd YAG
532 nm
Hélio Néon
543 nm
Amarelo
Crípton
568 nm
Vapor de Cobre
570 nm
Rohodamine 6G dye (tunable)
570 nm
Hélio Néon
594 nm
Laranja
Hélio Néon
610 nm
Vermelho
Vapor de ouro
627 nm
Hélio Néon
633 nm
Crípton
647 nm
Rohodamine 6G dye
650 nm
Rubi (CrAlO3)
694 nm
O comprimento de onda da luz visível, vai dos 400-760 nm.
Laser
Espectro Electromagnético: Lasers Visíveis 
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser
Espectro Electromagnético: Lasers disponíveis
Também os lasers têm sido preparados para o vácuo UV (VUV, 100-200 nm) e XUV (eXtreme UltraViolet; também chamada de ultrasoft X-ray region; <100 nm).
O comprimento de onda mais curto do laser produzido , até 2011 era de 3,5 nm. Projectos para estender esta faixa a 0,1 nm estão em andamento.
Porque será que os lasers de raios-x são tão difíceis de construir?:
Aji/Bij = 8  h 3 / c3
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
35
Laser
Tipos de Lasers
Estado Sólido: o material para gerar o laser é distribuído numa matriz sólida (como o rubi ou neodímio: ítrio-alumínio garnet "YAG"). Lâmpadas de flash são as fontes de potência. O laser Nd:YAG emite luz no infravermelho em 1064 nm. Nd3+, Ho3+, Gd3+, Tm3+, Er3+, Pr3+ e Eu3+ em cristais de CaWO4, Y2O3, SrMoO4, LaF3, YAG e vidro
Semicondutores: (1962) chamados também de lasers de diodo são junções p-n. A corrente é a fonte de bombeamento. Aplicações: impressoras, pointers, CD players…comunicações por fibra óptica … etc. GaAs/GaAlAs, GaInAsP/InP
Corante (Dye): (1963 -solução corante + solvente) usa corantes orgânicos complexos, como rodamina 6G, numa solução líquida ou suspensão, como meio para gerar o laser. São sintonizáveis num intervalo grande de comprimentos de onda do IR ao UV.
De Gás: são bombeados por descarga no gás. Podem ser de átomos, iões ou moléculas. O laser He-Ne gera no visível e no infravermelho. Laser de Árgon gera laser no visível e no UV. Lasers de CO2 emitem luz no infravermelho distante (10.6 μm), e são usados para cortar materiais duros. He-Ne, Ar, Kr, CO2, N2, He-Cd.
Excímeros: (dos termos excited e dimers): usa gases reactivos, como chlorine e fluorine, misturados com gases inertes como Ar, Kr, ou Xe. Quando estimulados electricamente, uma pseudo molécula (dímero) é produzida. Emitem no UV.
Químicos: (1964) (bombeado com energia de reacção química) Um laser químico é um laser, que obtém a sua energia a partir de uma reacção química. Lasers químicos podem chegar a saída de onda contínua com potência chegando a níveis megawatts. Eles são usados ​​na indústria de corte e perfuração. (COIL), (AGIL). 
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser
Tipos de Lasers
Os lasers podem ser divididos em vários grupos, de acordo
com diferentes critérios:
Quanto ao estado do meio ativo: sólido, líquido, gás ou plasma. O meio activo determina muitas das propriedades do laser, de tal modo que o nome de cada laser derivado do nome do meio activo. O material utilizado como meio activo determina: O Comprimento de onda do laser. O método mais adequado de bombeamento. Ordem de grandeza da saída do laser. O rendimento do sistema laser.
Quanto á faixa espectral do comprimento de onda do laser:
espectro visível
infravermelho (IR), ultravioleta (UV)… 
Quanto ao método de excitação (bombeamento) do meio activo: bombeamento óptico, bombeamento elétrico, etc.
Quanto às características da radiação emitida pelo laser.
Quanto ao número de níveis de energia que participam no processo laser .
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser
Cristal - ND:YAG (Meio Laser)
Lâmpada Flash (Fonte de Bombeio)
Feixe Laser
Espelho (Reflexão Parcial)
Espelho (Alta Reflexão )
Diagrama
Fonte Tensão
R
Ressonador Óptico
Utilizam cristais iónicos dopados ou bastões de vidro, que são bombardeados opticamente, através de uma ou mais lâmpadas tipo flash (de Xénon) ou com fontes contínuas de luz (lâmpadas de Crípton).
Os elementos activos no de YAG/Nd é o Nd o elemento dopado. Quando os fotões da lâmpada excitadora atingem o material dopado, transferem a sua energia para o material e ocorre então a emissão de novos fotões…
Tipos de Lasers: Lasers de estado sólido - Laser Nd: YAG 
HR 100%
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
38
Laser
Tipos de Lasers: Lasers de estado sólido - Laser Nd: YAG 
Feixe Laser
Lâmpada Flash 
Cristal Nd:YAG 
Reflector Elíptico 
O cristal do laser de Nd-YAG é normalmente feito de forma cilíndrica. O cristal forma a cavidade do laser e tem reflectores nas extremidades – um revestido de modo que seja 100% reflector, e o outro é suficientemente reflector, ou é revestido para permitir que apenas parte da luz amplificado passe através dele – de modo a garantir retorno suficiente (feedback) para que a oscilação possa ocorrer. 
A inversão de população resulta do raio de luz, fornecido normalmente por lâmpadas de Flash de Crípton, que incide sobre o cristal. Se a luz for suficientemente intensa, os átomos do cristal excitam-se, produzindo o efeito laser.
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser 1.064μm
Decaimento não radiativo
E3
E2
E0
E1
E4
Nd
E1, E2, E3 – Estados de energia de Nd.
E4 – Estado metaestável.
E0 – ground State Energy Level.
Decaimento não radiativo
Laser
Tipos de Lasers: Lasers de estado sólido - Laser Nd: YAG 
Níveis de Energia
O LASER - Nd (Neodymium) – YAG (Yttrium Aluminium Garnet). O ião Nd tem muitos níveis de energia e devido ao bombeamento óptico esses iões são levados para os níveis excitados. Durante a transição do estado metastável para E1, é emitido um feixe laser de comprimento de onda de 1.064μm.
0,8μm
0,73μm
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Courtesy of Los Alamos National Laboratory
Reflector 100%
Ajustamentos
Q- Switch
Obturador Polarizer de Segurança
Ponteiro Nd:YAG
Lâmpadas Flash
Refrigeração
Cavidade de Bombeio
Cavidade Laser
Tubo do Feixe
Botão de Ajustamento
Espelho de saída
Gerador de Harmónicas
(opcional)
Laser
Tipos de Lasers: Lasers de estado sólido - Laser Nd: YAG 
Feixe
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser
Tipos de Lasers: Lasers de estado sólido - Laser Nd: YAG 
Características
É um laser de estado sólido com operação em quatro níveis de energia.
Tornou-se muito popular em 1960`s.
Pode operar em modo contínuo, pulsado, e Ambos.
O meio laser é um cristal isotrópico incolor de Y2Al5O12 (ítrio-alumínio Garnet - YAG).
Quando usado em lasers, cerca de 1% do Ítrio é substituído por Neodímio. 
Tipo
:
Laser de isolador dopado
Meio Activo
:
Yttrium Aluminium Garnet
Centro Activo
:
Neodymium
Método de Bombeio
:
Óptico
Fonte de Bpmbeiop
:
Flash de Xenon
Ressonador Óptico
:
Extremidades revestidas de prata, formando dois espelhos que refletem parcialmente e totalmente a luz.
Potência de saída
:
20 kWatts
Natureza da saída
:
Impulsos
Comprimento de onda
:
1064nm.
Os níveis de energia dos iões Nd3+ são responsáveis ​​pela acção de laser. O ião de terra rara não afecta a estrutura do cristal devido ao tamanho idêntico.
Itérbio, Érbio, Crómio, etc. Também são utilizados como agentes dopantes no YAG para a operação Laser.
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser
Transmissão de sinais a grandes distâncias.
Sistemas de comunicação a longa distância.
 Aplicações endoscópicas.
Sensoriamento Remoto.
Tipos de Lasers: Lasers de estado sólido - Laser Nd: YAG 
Aplicações
Medicina: 
Em oncologia, que é usado para remover o cancro da pele.
Em oftalmologia para corrigir a opacificação capsular posterior, uma complicação da cirurgia ás cataratas.
Medicina estética.
Odontologia: É usado para cirurgias de tecidos moles da cavidade oral.
Militares: YAG é o laser mais usado em telemetria laser militar e designadores de alvos.
Outras
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
43
Laser
Tipos de Lasers: Lasers de estado sólido
O laser Semicondutor
Princípio:
Um electrão na banda de condução (BC) combina-se com uma lacuna (buraco) na banda de valência (BV) e a recombinação produz energia radiante sob a forma de fotão. Este fotão, induz outro electrão na BC a combinar-se com um buraco na VB e, assim, estimular a emissão de outro fotão igual ao primeiro.
Tipo
:
Laser Semiconductor Heterojunção dupla.
Meio Activo
:
Junção P – N .
Centro Activeo
:
Recombinação de electroes e lacunas.
Método de Bombeio
:
Injecção de Corrente eléctrica
Ressonador Óptico
:
Polishedjunctionofdiode
Potência de saída
:
1 mW
Natureza da saída
:
Continua ou pulsada
Comprimento de onda
:
375 – 1500 nm
Aplicações? 
Comunicações ópticas de alta densidade.
Drives CDs.
Medicina.
Impressoras Laser.
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
- Recombinação
Absorção estimulada;
Emissão espontânea; 
Emissão estimulada.
Existem três tipos de transições que são importantes nos diodos laser, que ocorrem entre a banda de condução e a banda de valência do material: 
h
Absorção estimulada 
h
Emissão Estimulada 
h
h
h
Emissão espontânea 
Depois de definir R (abs), R (espon), R (estim) como a taxa de absorção, emissão espontânea e emissão estimulada, respectivamente, a relação entre os três processos podem ser descritos através da seguinte equação:
R (abs) = R (espon) + R (estim)
BC 
BV
BC 
BV
BC 
BV
Laser
Tipos de Lasers: Lasers de estado sólido
O laser Semicondutor:
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
45
Fotodiodo PIN
Chip Laser
Dissipador
Rebordo do Encapsulamento
Terminais de ligação
Invólucro plástico
Radiador de calor
Terminais
Fotodiodo PIN
Chip Laser
Edge emitting Laser diode
L
Guia de ondas
Espelho frontal
Laser
Tipos de Lasers: Lasers de estado sólido
O laser Semicondutor
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser
Tipos de Lasers: Lasers de estado sólido
O laser Titânio-Safira
É um laser de estado sólido, sintonizável numa ampla faixa espectral (670 - 1100 nm).
O meio de ganho é um cristal de safira (Al2O3) dopado com 0,1% Ti2O3.
O laser Titânio-Safira é um laser de 4 níveis, com emissão entre os diferentes níveis de energia vibratória do ião Ti3+.
O bombeamento é normalmente feito por iões de Ar ou Nd:YAG para coincidir com a banda de absorção a 480-540 nm. O sistema pode ser contínuo (CW) ou pulsado. 
Uma grande vantagem do sistema de Titânio-safira, é que em modo de bloqueio é possível produzir um trem de impulsos extremamente curtos, que permitem estudos ultra-rápidos (10-13 -10-14 s) de processos químicos.
O laser de titânio-safira foi demonstrada pela primeira vez em 1986 por Moulton.
Oxigénio
Alumínio
Al2O3 lattice
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser
Tipos de Lasers: Lasers de estado sólido
O laser Titânio-Safira: - Níveis de Energia
Ti3+
2E
2T2
Transições Laser
 (660 – 1100 nm) 
No diagrama, o nível de 2T2 é o nível zero, enquanto que o nível 2E é o nível excitado. Os subníveis vibracionais de curto espaçamento, ampliam os níveis electrónicos de energia. O laser de Ti: safira é chamado um laser vibrónico, devido à estreita mistura das frequências electrónicas e vibracionais.
Absorção
Decaimento não Radiativo
A banda de absorção de Ti3+ está na região espectral do azul verde, enquanto que o espectro de emissão é ligeiramente deslocado, como mostrado na figura dada aqui vermelho.
A Energia necessária para o nível excitado 2E é conseguida através de bombeamento óptico.
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser
Tipos de Lasers: Lasers de estado sólido
O laser Titânio-Safira: - Diagrama
Bombeamento 
Feixe de saída 
Ti:Safira 
Etalon
Diodo 
Filtro
O cristal Ti:Safira é bombeado por um feixe luz laser emitido por Nd:YVO4. O sentido da circulação da luz é determinada por um diodo óptico. A frequência é escolhida por ajustamento de um filtro de birrefringentes e uma Etalon de Fabry-Perot.
O periscópio (espelho P) e a lente de colimação L, são usados ​​para injectar o feixe de bombeamento no ressonador em anel. O ressonador em si consiste de M1), M2(espelhos curvos) e espelhos planos M3 e M4.O meio de ganho (cristal de Ti:safira), situa-se entre os espelhos M1 e M2, no ponto focal dos respectivos espelhos. 
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser
Tipos de Lasers: Lasers de estado sólido
O laser Titânio-Safira: - Características e aplicações
Para faixas espectrais com > 700 nm, o laser de titânio-safira é superior ao laser de corantes, porque tem maior potência de saída, melhor estabilidade de frequência e uma largura de linha menor.
Tem aplicações em processamento de materiais de precisão, irradiação de energia para satélites, geração de raios-X para litografia, e aplicações em medicina.
Este laser pode ser utilizado para limpar edifícios e esculturas por remoção selectiva de revestimentos particulares, sem danos para qualquer outra coisa. Pode ainda ser utilizado para medir o vapor de água, pressão e temperatura. 
Tipo
:
Lasers de estado sólido
Meio Activo
:
Cristal Ti: safira .
Centro Activo
:
Indução de energia.
Método de Bombeio
:
iões de Ar ou luz de Nd:YAG
Ressonador Óptico
:
Espelhos ópticos
Potência de saída
:
1 mW
Natureza da saída
:
Continua ou pulsada
Comprimento de onda
:
670 - 1100 nm.
As aplicações médicas envolvem enriquecimento de isótopos médicos estáveis ​​(como carbono 13 e oxigénio 18), tratamento de diferentes áreas de pigmentos associados à dermatologia, e auxilio na correção de problemas renais, quando guiado por fibras ópticas (um procedimento médico conhecido como Litotripsia).
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser
Tipos de Lasers: Lasers de estado sólido
O laser Titânio-Safira: - Módulo
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser
Tipos de Lasers: Lasers Líquidos - Laser de Corantes (Dyes)
Um corante laser é uma substância química corante, que é capaz de produzir por excitação laser, logo, um laser de corante. É o único tipo de laser em que o meio activo é líquido. Geralmente é excitado por outros lasers ou lâmpadas tipo flash, podendo alguns trabalhar no modo contínuo (cw),mas a maioria trabalha no modo pulsado (impulsos).
São Lasers líquidos homogéneos com compostos orgânicos (ou seja, corantes) que possuem uma banda de absorção forte, utilizada como um agente activo. Durante a emissão o corante tem que ser opticamente excitado por outra fonte de luz (ex. outro laser ou lâmpada de flash). A faixa de emissão do comprimento de onda pode ser em qualquer lugar do ultravioleta até próximo do infravermelho (i.é, de 180 a 1100 nm). Estes lasers operam em modo contínuo (CW) e em modos pulsados (impulsos).  
Alguns dos corantes usados são: rodamina 6G, fluoresceína, cumarina, estilbeno, umbeliferona, tetracena, verde malaquita. Nas versões caseiras, além dos corantes mencionados, eles também funcionam com corantes de alguns marcadores fluorescentes e até de alguns tipos de branqueadores ópticos usados na lavagem de roupas.
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser
Tipos de Lasers: Lasers Líquidos - Laser de Corantes (Dyes)
Utiliza corantes fluorescentes para produzir feixes de laser de diversas cores. O corante flui através de um tubo de vidro com espelhos de laser posicionados em cada extremidade.
Pode ser ajustado para produzir quase qualquer cor de luz, alterando o tipo e concentração do corante usado, e utilizando arranjos de espelhos especiais concebidos para permitir apenas que um comprimento de onda específico de luz, possa circular no interior do laser.
Os Lasers de corantes encontram amplo uso na investigação científica e na medicina, onde diferentes tipos de tecido vivo respondem a diferentes comprimentos de onda da luz laser.
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser
 Química
Moléculas orgânicas Poliatómicos com cadeias conjugadas π.
Rodamina, tetraceno, cumarina, estilbeno entre outros...
Solventes:
-Metanol, etanol, água ou etilenoglicol.
Outros produtos químicos são adicionados para evitar cruzamento entre sistemas e evitar a degradação do corante…
Tipos de Lasers: Lasers Líquidos - Laser de Corantes (Dyes)
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Moléculas Poliatómicas orgânicas que contêm ligações duplas conjugadas:
Laser
 Funcionamento
Os electrões se movem livremente em toda a cadeia.
Movimento que pode ser descrito como um electrão livre, num poço de dimensão potencial.
Tipos de Lasers: Lasers Líquidos - Laser de Corantes (Dyes)
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
S1
S0
S2
Estados Singletos
Absorção
Níveis de Energia
Laser
Bombeamento
Transições Laser
0 ___
1 ___
2 ___
3 ___
T2
T1
Absorção
En = h2N2/8mL2
Regra de selecção: S = 0
- S0 → S1 permitido.
Níveis vibracionais e rotacionais insolúveis…
Emissão de fluorescência
- S1 → S0.
Estados Tripletos
Tipos de Lasers: Lasers Líquidos - Laser de Corantes (Dyes)
Decay
Perdas:
Intersistemas
S1 → T1
Fosforescência
T1 → S0
Absorção
S1 → S2
T1 → T2
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Singleto (S1)
Tripleto (T1)
Singleto (S0)
Absorção
Fosforescência
A sequência de passos que levam à fosforescência:
Um passo importante é a interacção intersistemas, a mudança de um estado singleto para um estado tripleto provocada pelo acoplamento de rotacional.
O estado tripleto age como um reservatório irradiando lentamente porque o retorno ao estado fundamental rotacional é proibido.
Níveis de Energia
Laser
Tipos de Lasers: Lasers Líquidos - Laser de Corantes (Dyes)
interacção intersistemas
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
S1: 1st excited 
electronic state manifold
Transições Laser
S0: Ground 
electronic state manifold
Bombeamento
Os lasers de corantes são tão próximos do ideal que é difícil “pará-los” de emitir luz laser em todas as direcções!
O nível inferior do laser pode ser qualquer um da banda S0.
Laser
Níveis de Energia
 A solução é intensamente colorida devido à forte absorção do estado electrónico fundamental S0, para o primeiro estado simples excitado S1. A Fluorescência para o estado fundamental, também tem uma elevada eficiência quântica.
Tipos de Lasers: Lasers Líquidos - Laser de Corantes (Dyes)
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
58
Laser
Tipos de Lasers: Lasers Líquidos - Laser de Corantes (Dyes)
Corante liquido
Lente Reflexão total
Lente cilíndrica
Lente semitransparente
Feixe de Bambeio
Feixe de Bambeio
Estrutura simples
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser
Tipos de Lasers: Lasers Líquidos - Laser de Corantes (Dyes)
Estrutura com sintonia
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser
Níveis de Energia
Tipos de Lasers: Lasers Líquidos - Laser de Corantes (Dyes)
Um dos lasers visíveis ajustáveis (0.3 µm a 1.2 µm) mais utilizados.
Composição: Substâncias orgânicas dissolvidas em solventes (água, álcool etílico,- Metanol acetato de glicol, etc.).
Exibem absorção forte e larga e espectros fluorescentes.
Cada estado é composto por um grande número de Subníveis vibracionais e rotacionais com espaçamentos muito reduzidos.
As Moléculas de corantes são excitadas por radiação.
As moléculas são excitadas em vários subníveis de Estado S1.
De lá, eles relaxam rapidamente para o nível mais baixo V2 de S1.
Moléculas de V2 e emitem espontaneamente e relaxam para subníveis diferentes de S0.
Emitem assim um espectro fluorescente.
As Moléculas de S1 também podem fazer um relaxamento não radiativo para T1.
Isto é chamado cruzamento intersistema.
Os Lasers de corantes experimentais usam lâmpadas de flash, lasers pulsados ​​ou lasers contínuos como fontes de bombeamento.
Os Lasers de bombeamento incluem lasers de Nitrogénio, Árgon, Crípton, e YAG.
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
61
Laser
Níveis de Potência
Tipos de Lasers: Lasers Líquidos - Laser de Corantes (Dyes)
Bombeamento
Gama de Variação (nm)
Potência Média (W)
Pico de Potência (W)
Duração de Impulsos (ns)
Laser Nitrogénio
350-1000
0.1 – 1
10000
1 – 10
Lâmpada Flash
400-960
0.1 – 100
100000
102-105
Iões Ar+ ou Kr+
400-800
0.1 – 10
Max reported 40
CW
Laser YAG
400-800
0.1 - 1
105- 107
5 - 30
Excímero
370-985
0.1 - 10
 107
10 - 200
CVL
530-890
 10
104- 105
30 - 50
Resumo da potência de saída de lasers de corante pulsados, conforme a origem de bombeio. As curtas vidas da fluorescência dos corantes, de alguns nanossegundos, significa que o armazenamento de energia é de curta duração e impede o Q-switching dos lasers.
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Os lasers de corantes cobrem a gama do visível, IV-próximo e UV-próximo.
Laser
Lasers de Corantes (1963) (solução corante + solvente, do IR ao UV)
Tipos de Lasers: Lasers Líquidos - Laser de Corantes (Dyes)
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Saída Laser
Gradeamento de Bragg
Luz de Bombeamento
Canal Microfluidico
(Guia de ondas)
Solução corante
PDMS chip
Laser
Diagrama esquemático de um chip laser monolítico com corante optofluídico com gradeamento DFB.
Tipos de Lasers: Lasers Líquidos - Laser de Corantes (Dyes)
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Os lasers de corantes são sistemas de 4-níveis ideais, tendo acção laser numa gama alargada de cerca de ~100 nm.
Laser
Tipos de Lasers: Lasers Líquidos - Laser de Corantes (Dyes)
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
65
Duarte and Piper, Appl. Opt. 23, 1391 1984
Laser
Características
Problemas
Vida curta do estado S1.
Cruzamento Intersistema e longa vida útil de T1.
Gradientes térmicos produzem gradientes de refracção.
Operação
Laser pulsado (impulsos)
Circulação da solução corrante.
Bombeamento – lampada flash ou outro laser como:
Nitrogénio laser (UV-visível).
 Laser excímero (UV-visível).
Nd:YAG laser (visível).
Níveis de energia vibracional e rotacional não resolvidos
Emissão de largo espectro. 
Sintonia.
Ampla selecção de corantes para os diferentes comprimentos de onda de emissão e níveis de absorção.
Possibilidade de impulsos muito curtos.
Académicas:
Sintonizável numa ampla gama de comprimentos de onda.
Ambiental
Monitorização da poluição.
Aplicações
Tipos de Lasers: Lasers Líquidos - Laser de Corantes (Dyes)
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser
Tipos de Lasers: Lasers de gases
Pode fazer-se com que muito elementos produzam emissão laser quando se encontram no estado gasoso.
Também tem sido mostrado que muitas moléculas (compostas de alguns átomos) podem produzir efeito laser.
Num laser de gás, o meio activo é um gás a baixa pressão (de alguns milibares).
As principais razões para a utilização de um gás a baixa pressão são:
Activar uma descarga eléctrica, durante um longo período, no espaço entre os eléctrodos colocados nas extremidades de um tubo longo.
Obter linhas espectrais estreitas, minimizando o alargamento devido a colisões entre átomos.
(Só alguns tipos especiais de lasers a gás, utilizando alta pressão).
O primeiro laser de gás foi construída por T. H. Maiman em 1961, um ano após a demonstração do primeiro laser (Rubi).
O primeiro laser de gás foi o laser de Hélio-Néon, operando a um comprimento de onda de 1152,27 nm ( próximo IR).
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser
Tipos de Lasers: Lasers de gases
Excitação:
Principalmente são utilizadas duas técnicas de excitação para lasers a gás:
Descarga Eléctrica 
Bombeio Óptico 
A excitação de um laser a gás, através de descarga eléctrica:
A aplicação de uma alta tensão entre os eléctrodos em ambas as extremidades do tubo que contém o gás, provoca uma descarga eléctrica através do gás.
Os electrões são removidos do cátodo, acelerados em direção ao ânodo, colidindo com moléculas de gás ao longo do caminho.
Durante a colisão, a energia cinética dos electrões é transferida para as moléculas de gás excitando-as.(O mesmo método de transferência de energia é utilizado nas lâmpadas fluorescentes convencionais).
A excitação de um laser a gás, através de bombeio óptico:
A excitação de um meio de laser por bombagem óptica requer que o espectro de absorção do meio, seja semelhante ao do espectro de emissão da fonte de bombeio, de modo que seja absorvida grande quantidade de radiação.
As fontes de luz convencionais utilizadas para o bombeamento óptico, têm um amplo espectro de emissão, mas apenas uma pequena parte da luz é empregue no processo de excitação. Porque os átomos do gás absorvem apenas uma pequena parte do espectro, a bombeio óptico não é, em geral, um método eficiente de excitação de lasers de gás.
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser
Tipos de Lasers: Lasers de gases
Excitação (cont.):
O espectro de absorção dos sólidos é mais amplo do que os espectros de absorção dos gases, de modo que a eficiência de bombagem de lasers de estado sólido por fontes de luz convencionais é maior do que para os lasers a gás. Portanto os lasers a gás são geralmente excitados por uma descarga eléctrica.
Se quisermos excitar um laser de gás com bombeamento óptico, precisamos encontrar uma fonte com uma largura de banda muito estreita, que deve coincidir com as linhas de absorção estreitas do gás. Uma boa fonte para o bombeamento óptico de um laser é um outro laser. Este método é usado para bombear os lasers de gás usando um laser de CO2 (Far-Infra-Red,- FIR).
Classes de Lasers de gás
Por conveniência, os lasers de gás dividem-se em três grupos:
Átomos - O meio activo do laser é composto de átomos de gás neutro, como o Hélio-Néon e Vapores de Cobre.
Iões - O meio activo de laser é constituído por um gás ionizado, tais como gás de iões de Árgon ou gás de iões Hélio-Cádmio.
 Moléculas - O meio activo do laser é composto de moléculas de gás, como o dióxido de carbono (CO2), nitrogênio (N2), lasers Excímero, lasers químicos (HF, DF), laser-Far Infra-Red (FIR) .
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
ATÓMICOS
He-Ne (Hélio-Néon)
He-Cd (Hélio-Cádmio)
MOLECULARES
 CO2 (Dióxido de Carbono)
  N2 (Nitrogénio) 
  Químicos (HF-DF)
  FIR - infravermelho distante
  Laser de Excímero 
IÓNICOS
Ar+ (Ião Árgon) 
Kr+ (Ião Crípton) 
Lasers de Vapor Metálico 
Cu (Cobre) Vapor 
  Au (Ouro) Vapor 
http://www.um.es/leq/laser/index.htm
Laser
Tipos de Lasers: Lasers de gases
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser
Tipos de Lasers: Lasers de gases
Um laser de gás é um laser, em que uma corrente eléctrica é descarregada através de um gás para produzir a luz coerente. O laser de gás foi o primeiro a laser a operar em modo contínuo de luz, e o primeiro laser para operar no princípio da conversão de energia eléctrica
para uma saída de luz de laser. O primeiro laser de gás, o laser de hélio-neon (HeNe), foi co-inventado pelo físico iraniano Ali Javan e físico americano William R. Bennett, Jr. em 1960. Produziu um feixe de luz coerente na região do infravermelho do espectro a 1,15 micrómetros.
O laser produz luz através passagem de electricidade através de um gás. Isso faz com que o gás emita (produza) ondas de luz com um comprimento de onda preciso. As ondas de luz circulam para trás e para frente ao longo do tubo entre os dois espelhos. Isso incentiva o gás para dar mais luz, exactamente em sintonia com as ondas de luz originais. Também amplifica (torna mais claro) do feixe de luz.
Bobine Eléctrica
Bobinada à volta do tubo.
Espelho
Feixe Laser
(sai pela extremidade do tubo)
Espelho 
 (com reflexão parcial)
Electricidade 
 (Faz o gás emitir luz)
Moléculas de Gás 
 (Flutuam dentro do tubo)
http://www.factmonster.com/dk/science/encyclopedia/lasers.html
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser
Tipos de Lasers: Lasers de gases
Espelho 
 (com reflexão parcial)
Espelho 
 (com reflexão Total)
Fonte de Alta Tensão
Eléctrodos
Fotões
Átomos de Gás
Feixe Coerente
Estrutura
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser
Tipos de Lasers: Lasers de gases
No laser He-Ne a transição que produz a luz de saída é uma transição atómica. Os Lasers de gás que utilizam gás molecular ou vapor, para “meio laser” usam transições moleculares para o seu funcionamento. As transições moleculares tendem a ser mais complexas do que as atómicas. Como consequência, a luz laser produzida por lasers moleculares tende a ter uma colecção maior e mais diversificada de propriedades . Exemplos de alguns lasers de gás moleculares comuns são monóxido de carbono ( CO ) , dióxido de carbono ( CO2 ) , de excímero , e o de azoto (N2 ).
Nestes lasers é o “meio laser” é constituído por e um ou uma mistura de gases e vapores. Os Lasers de gás podem ser classificados em termos do tipo de transições para o seu funcionamento: 
Atómicos, moleculares, ou de iões.
 O mais comum de todos os lasers de gás é o laser de hélio-neon ( He-Ne) . A presença de duas espécies atómicas ( hélio e néon) neste laser de gás, pode sugerir que o meio seja feito de moléculas , mas estas duas espécies de átomos não formam uma molécula estável . Na verdade, todos os átomos de inertes como o hélio , árgon , crípton , etc. ( aqueles na última coluna da Tabela Periódica ) confinam firmemente as suas nuvens de electrões e raramente formam uma molécula ou reagem com outros átomos (daí o nome – inerte). 
http://www1.union.edu/newmanj/Physics100/LaserTypes/GasLasers.htm
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser
O laser de He-Ne foi o primeiro laser inventado com funcionamento em contínuo (CW). Poucos meses depois de Maiman ter anunciado a sua invenção do laser de rubi pulsado, Ali Javan e seus associados WR Bennet e DR Herriott anunciaram a criação de um laser He-Ne CW. Este laser de gás é um laser de quatro níveis que usa átomos de Hélio para excitar átomos de Néon. São as transições atómicas no Néon que produz a luz laser. A transição Néon mais utilizada nestes lasers produz luz vermelha a 632,8 nm. Mas esses lasers também podem produzir luz verde ou amarela no visível, bem como UV e IR (o primeiro laser He-Ne de Javan operava no IR a 1152,3 nm). Utilizando espelhos altamente reflectores concebidos para uma destas muitas transições possíveis, uma determinada saída do laser He-Ne é feita para funcionar com um único comprimento de onda.   
Tipicamente, estes lasers produzem algumas dezenas de mW (mili-watts, ou 10-3 W) de potência. Eles não são fontes de luz laser de alta potência. Provavelmente, uma das características mais importantes destes lasers é que eles são altamente estáveis​​, tanto em termos do seu comprimento de onda (estabilidade modo) como na intensidade da sua luz de saída (baixo jitter em nível de potência). Por estas razões, os lasers He-Ne são frequentemente utilizados para estabilizar outros lasers. Eles também são utilizados em aplicações, tais como holografia, onde a estabilidade de modo é importante. Até meados da década de 1990, os lasers He-Ne foram o tipo dominante de lasers mais produzido para aplicações de baixa potência - de telemetria, transmissão digital óptica, a ponteiros laser… Recentemente, no entanto, outros tipos de lasers, principalmente os lasers semicondutores , parecem ter vencido a competição por causa da redução de custos.
Tipos de Lasers: Lasers a gás atómicos -O Laser Hélio-Neon (He-Ne)
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Consiste de um tubo de descarga de 80 cm de comprimento e 1,5 centímetros de diâmetro. Um mistura de Hélio e Néon, numa razão de 5:1, contidos a baixa pressão num invólucro de vidro. A fonte de energia de bombeamento, é fornecida por uma descarga eléctrica de alta tensão transmitida através do gás entre os eléctrodos (ânodo e cátodo), dentro do tubo. Uma corrente DC, de 3 a 20 mA é normalmente necessária para a operação em CW. A cavidade óptica do laser, geralmente consiste de dois espelhos côncavos ou um plano e um espelho côncavo, tendo uma elevada reflectância (tipicamente 99,9%) e do espelho de saída de acoplamento que permite a transmissão de aproximadamente 1%. 
Laser
Tipos de Lasers: Lasers a gás atómicos -O Laser Hélio-Neon (He-Ne)
Monitor de saída
Espelho HR
Espelho CO
Janela Brewster (Polar)
Reflexões da Janela de Brewster
Ajuste de Espelhos
Janelas Brewster, (geralmente sem revestimento) são janelas projectadas para uso no ângulo de Brewster. Este é o ângulo em que somente luz polarizada-p incidente tem 0% de perda de transmissão.
São usadas ​​em cavidades laser, para rejeitar o feixe de polarização-s e para permitir que somente luz linearmente polarizada–p, seja emitida. São projectadas para uso no ângulo de Brewster, onde o efeito reflexivo polarização é mais eficiente.
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser
Níveis de Energia 
Excitação por 
colisões
de electrões
 Através da aplicação de uma alta tensão, é induzida uma descarga eléctrica ao longo do tubo. Os electrões colidem com os átomos e colocam-nos num estado excitado. A luz é emitida pelos átomos de néon, e o Hélio é para auxiliar o processo de inversão de população. Para ver como isso funciona, precisamos consultar o diagrama de níveis abaixo.
Como mostrado no diagrama de níveis de energia, as colisões excitam os átomos de Hélio a partir do estado fundamental para estados excitados de energia mais altos, entre eles os estados metaestáveis ​​de longa duração 23S1 e 21S0. 
O Hélio tem dois electrões. No estado fundamental os electrões estão no nível 1s. O primeiro estado excitado é a configuração 2s. Há duas possíveis energias para esse estado, porque há duas configurações possíveis do spin do electrão: os termos singleto  (21S)   S = 0 e o tripleto (23S) S =1.
5s
Hélio
23s1
S=0
4p
3p
4s
3s
Ground State
Néon
Energia 
1S2
S=0
S=1
1s22s22p6
21s0
Ambos os estados são metaestáveis ​​e não permitem de-excitações via transições radiativas..
Tipos de Lasers: Lasers a gás atómicos -O Laser Hélio-Neon (He-Ne)
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser
Níveis de Energia (cont.)
Em vez disso, os átomos de Hélio transferem a sua energia para os átomos de Néon através da excitação de colisão. Desta forma, os níveis 4s e de 5s do Néon são preenchidos.
Estes são os dois níveis laser superiores, cada um para um conjunto separado de transições de laser. O decaimento radiativo dos níveis 5s para os 4s, são proibidos.
Assim, os níveis de 4p e 3p servem de níveis laser inferiores e decaem rapidamente para o nível meta-estável 3s.
Deste modo inversão de população é facilmente conseguida no laser de He-Ne. A transição laser 632.8 nm, por exemplo, envolve os níveis 5s e 3p, mas há várias possibilidades.
Tipos de Lasers: Lasers a gás atómicos -O Laser Hélio-Neon (He-Ne)
(radiativa significa que absorve ou emite radiação electromagnética)
Colisões
 HE-Ne
Excitação por 
colisões
de electrões
Hélio
23s1
S=0
4p
3p
4s
3s
Ground State
Néon
Energia 
1S2
S=0
S=1
1s22s22p6
21s0
5s
3391nm
543 nm
632.8nm
1523 nm
1118 nm
1152nm
Transições radiativas rápidas
Difusão para as paredes
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser
Níveis de Energia (cont.)
A principal transição laser a 632,8 nm ocorre entre o nível 5s e o nível 3p. O tempo de vida do nível 5s é de 170 ns, enquanto que a do nível 3p é de 10 ns. Esta transição, portanto, facilmente satisfaz o critério, superior >  inferior. Isto assegura que os átomos não se acumulam no nível mais baixo, uma vez que tendo emitido fotões laser, iriam destruir a inversão de população. 
Não seria fácil de obter esta inversão de população sem o Hélio porque as colisões entre o átomos de Néon e os electrões no tubo, tenderia a excitar todos os níveis dos átomos de Néon de forma igual. É por isso que há mais Hélio do que Néon no tubo…
Os átomos no nível 3p relaxam rapidamente para o estado fundamental por transições radiativas ao nível 3s e, em seguida, por colisão/difusão de-excitação para o nível original 2p.
O ganho em um tubo de He-Ne, tende a ser bastante baixo devido à relativa baixa densidade dos átomos do gás (em relação ao sólido). Isto é em parte compensado pelo tempo de vida relativamente curto da excitação de 170 ns . O ganho de ciclo completo pode ser apenas de uma pequena percentagem, pelo que são necessários espelhos altamente reflectores.
Com ganho relativamente pequeno, as potências de saída não são muito elevadas - apenas alguns mW. No entanto, a facilidade de produção faz com que estes lasers extremamente comuns para aplicações de baixa potência: os leitores de código de barras, ferramentas de alinhamento a laser, demos de sala de aula, etc. Eles estão sendo gradualmente substituídos hoje em dia por diodos laser semicondutores, também muito usados como apontadores laser.
Tipos de Lasers: Lasers a gás atómicos -O Laser Hélio-Neon (He-Ne)
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
http://en.wikipedia.org/wiki/Helium%E2%80%93neon_laser 
http://www.mi-lasers.com/hene-lasers-c-17 
http://www.i-fiberoptics.com/lasers.php?cat=helium-neon-lasers&sum=1630
Laser
Tipos de Lasers: Lasers a gás atómicos -O Laser Hélio-Neon (He-Ne)
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser
Aplicações
O feixe vermelho de laser He-Ne é usado em leitores de códigos de barras em supermercados.
Medidores de distâncias.
Tem muitos usos industriais e científicos. Eles são amplamente utilizados em demonstrações laboratoriais da óptica, devido ao seu custo relativamente baixo e facilidade de operação em comparação com outros lasers visíveis (Contudo, desde cerca de 1990 os lasers semicondutores têm oferecido uma alternativa de baixo custo para muitas dessas aplicações).
Armas "inteligentes“ guiadas…..
Tipos de Lasers: Lasers a gás atómicos -O Laser Hélio-Neon (He-Ne)
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser
Tipos de Lasers: Lasers a gás atómicos -O Laser Hélio-Cádmio (He-Cd)
Os lasers de hélio-cádmio podem ser categorizados entre qualquer uma das seguintes categorias:
Lasers de vapor de metal – o cádmio é um metal, e a acção laser, no laser de Hélio cádmio ocorre entre os níveis de energia dos iões de cádmio, de modo que o meio laser é formado por um vapor de iões metálicos.
Lasers de gás ionizado - As propriedades do laser de hélio-cádmio são semelhantes aos do laser de Hélio-Néon, um laser de gás de átomos neutros.
O laser de He-Cd é um laser de gás, porque o Cádmio metálico pode ser convertido para a fase gasosa mediante calor.
A excitação laser, para nível superior dos átomos de cádmio no gás, é semelhante ao processo de excitação do laser a gás Hélio-Néon:
Os átomos de Hélio são excitados por colisões com electrões acelerados, que transferem a sua energia para os átomos de Cádmio mediante colisões.
As transições no laser Hélio-cádmio são produzidas entre os níveis de energia dos átomos ionizados de Cádmio, sendo possível cerca de doze linhas.
Estes comprimentos de onda estão na região de ondas curtas, violeta e ultravioleta (UV). Portanto, as principais aplicações do laser de He-Cd são em laboratórios ópticos, para o fabrico de grades holográficas.
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser
Funcionamento
O Cádmio metal, é aquecido a uma temperatura de 2500C, para gerar a pressão de vapor adequada. Á pressão de vapor de cádmio de alguns militorrs, é adicionado a do gás Hélio, a uma pressão de 3 - 7 militorrs.
No projecto do tubo do laser de Hélio-Cádmio a maior parte do esforço é gasto em minimizar a quantidade de iões de Cádmio no cátodo. Os melhores de lasers de He-Cd perdem cerca de 1 [g] de metal cádmio a cada 1.000 horas de operação do laser.
Como o Hélio é um gás nobre, a sua energia de excitação é muito alta (24,46 [eV]) comparada com a do Cádmio, que é um metal com baixa energia de excitação (8,96 [eV]). Portanto, no laser de He-Cd, o Hélio permanece electricamente neutro, e preenche a cavidade do tubo, enquanto que os iões positivos do Cádmio, através dum processo chamado cataforese, movem-se para o cátodo negativo por efeito de campo eléctrico, onde deixam de se poderem condensar e contaminar os componentes do tubo e as superfícies ópticas.
O problema prático nos lasers de hélio-cádmio, é para manter a distribuição do vapor de metal homogênea no interior do tubo de descarga . Uma vez que os vapores saiam para fora do furo da conduta central (bore), vão depositar–se sobre as superfícies frias. É importante que o vapor permaneça nas áreas apropriadas. A fim de prevenir o revestimento das janelas com cádmio, armadilhas frias são colocados antes das janelas laser. Os átomos de cádmio condensam-se numa bolsa perto da região do cátodo.
Tipos de Lasers: Lasers a gás atómicos -O Laser Hélio-Cádmio (He-Cd)
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser
Hélio
23s1
S=0
Excitação por 
colisões
de electrões
2d
2p
Ground State
Cádmio
Transições Laser
Energia 
1S
S=0
S=1
1s
21s0
Colisões
 He-Cd
353.6nm
325nm
UV distante
2s
Cd+ (ião)Ground state
441nm
A energia dos átomos excitados de hélio, ioniza os átomo de Cádmio:
He* +Cd → He + Cd+ + e-
É o principal mecanismo da acção lasers, nos lasers de Hélio- Cádmio, que identifica as transições no processo em que átomos de Hélio, altamente excitados, transferem a sua energia para o cádmio de uma forma semelhante à operação do laser de He-Ne. No entanto, neste caso são produzidos iões de Cádmio no processo, em vez de átomos neutros, como no caso de Néon, devido ao muito menor potencial de ionização do Cádmio em relação ao Néon . A energia de excitação para o laser de hélio - cádmio é fornecida por uma descarga de corrente contínua que passa através do tubo de laser . 
Ionização Penning 
Descargas típicas são cerca de 700 - 2000 volts , com densidades de corrente no furo central (Bore) de pequeno diâmetro (2mm), da ordem de 3 a 5 amperes por centímetro quadrado de secção transversal.
Os átomos de Hélio absorvem a energia da descarga, e depois transferem-na para os iões de Cádmio. Os níveis de energia de cádmio e hélio envolvidos no processo e as principais linhas, são mostrados na figura ao lado. 
Tipos de Lasers: Lasers a gás atómicos -O Laser Hélio-Cádmio (He-Cd)
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser
Ponteiro ressonante
Ânodo
Bore
Reservatório de Cádmio
Cátodo Thermianic
Espelho Reflector
Janela de Brewster
Cold Trap
Bomba de Hélio e Balastro
Janela de Brewster
Janela de saída
Características dos lasers de He-Cd : 
Comprimentos de onda de saída : luz azul 441,6 [nm], e  luz Ultravioleta (UV) 325 [nm].
Potência máxima de saída : 150 [mW] na linha azul, e 50 [mW] em UV.
Rendimento máximo total : na linha azul 0.02 %, e em UV 0.01 %.
Largura espectral : 0.003 [nm] (em torno de 5 [GHz]), e longitude de coerência : cerca de 10 [cm].
Distância entre dos modos longitudinais : cerca de
200 [MHz].
Tipos de Lasers: Lasers a gás atómicos -O Laser Hélio-Cádmio (He-Cd)
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
84
Laser
Aplicações 
Litografia.
Estéreo-litografia, em que o laser ultravioleta é usado para fazer modelos em material plástico, gerados por computador.
O comprimento de onda azul é usado para impressão em materiais fotossensíveis.
Citometria de fluxo.
Fabrico de CDs masters.
Inspeção de Microchips.
Análise de Fluorescência.
Fabricação de Grades de difracção.
Espectroscopia.
Ensaios não destrutivos.
Diagnósticos Laser de tumores de cancro.
Tipos de Lasers: Lasers a gás atómicos -O Laser Hélio-Cádmio (He-Cd)
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser
Tipos de Lasers: Lasers a gás atómicos -O Laser de Vapores de Cobre (CVL)
Como o próprio nome indica, o laser de vapores de cobre utiliza átomos de cobre vaporizados como meio laser. O primeiro laser de vapor cobre foi o demonstrada em 1966 por WTWalter, N.Solimene, M.Piltch, e Gordon na TRG Gould Inc.
Os electrões excitados pela descarga eléctrica, colidem com os átomos de cobre vaporizados, e excitam-nos numa única etapa para os níveis superiores 2P3/2 e 2P1/2. Os electrões do nível 2P3/2 decaem para o nível laser menor 2D5/2, produzindo luz laser verde num comprimento de onda de 510 nm. As transições de 2P1/2 para o nível 2D3/2, produzindo luz laser amarela no comprimento de onda de 578 nm.
O tubo de cerâmica refractária de 100-150 cm de comprimento, contendo esferas de cobre e um de gás neutro de baixa pressão, geralmente Néon. Uma descarga eléctrica pulsada entre os eléctrodos em cada extremidade do tubo, aumenta a temperatura para cerca de 14500 C (2642 F), produzindo vapor de cobre, a uma baixa pressão. 
Os feixes dos lasers de vapor de cobre, podem ser de cerca de 10-50 mm de diâmetro, a divergência do feixe para um (a janela de saída) ressonador tipo estável é de 3-5 mradianos. Na parte visível do espectro, a focagem do feixe é realizada utilizando óptica de vidro.
O tubo do laser de vapor de cobre é geralmente selado com janelas de vidro plano, sendo o espelho da parte de trás, de reflexão total , com 90% de transmissão escolhida para a janela de saída, que não precisa de ser especialmente revestido. 
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Tiratrão
Eléctrodo (-)
Eléctrodo (+)
Isolador
Espelho HR
Cilindro em Vácuo
Tubo cerâmica refractária
Esferas de Cobre
Laser
Tipos de Lasers: Lasers a gás atómicos -O Laser de Vapores de Cobre (CVL)
Estrutura 
Excitação por 
colisões
de electrões
Transições não radiativas rápidas
510 nm
Cobre
2p
Ground State
Energia 
2s
3/2
1/2
2d
3/2
5/2
578 nm
Níveis Laser Metaestáveis inferiores
O laser de vapor de cobre (CVL), em modo pulsado, fornece altas potências médias de até 100 W, em comprimentos de onda verde (510 nm) e amarelo (578 nm), a taxas de repetição muito altas até 40 kHz e durações de impulsos de 10-50 nsecs.
Janela
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Excitação por 
colisões
de electrões
Transições não radiativas rápidas
510 nm
Cobre
2p
Ground State
Energia 
2s
3/2
1/2
2d
3/2
5/2
578 nm
Níveis Laser Metaestáveis inferiores
Laser
Tipos de Lasers: Lasers a gás atómicos -O Laser de Vapores de Cobre (CVL)
Transições electrónicas para o laser de vapor de cobre.
O tubo de cerâmica refractária contém esferas de cobre e um gás neutro de baixa pressão, geralmente Néon. Uma descarga eléctrica pulsada entre os eléctrodos em cada extremidade do tubo, aumenta a temperatura para cerca de 14500 C (2642 F), produzindo vapores de cobre, a uma pressão parcialmente baixa. 
As transições do nível 2p1/2, decai para o nível 2d3 /2, produzindo luz laser amarelo no comprimento de onda de 578 nm.
Os electrões no nível 2p3/2 decai para o nível laser menor 2d5/2 produzindo luz laser verde num comprimento de onda de 510 nm.
Ambos os estados são metaestáveis ​​e não permitem de-excitações via transições radiativas..
Os Electrões excitados pela descarga eléctrica colidem com os átomos de cobre vaporizados e excita-os numa única etapa para os níveis laser superiores 2p3/2 e 2p1/2, conforme ilustrado na figura.
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser
Tipos de Lasers: Lasers a gás atómicos -O Laser de Vapores de Cobre (CVL)
Propriedades do laser de vapor de cobre.
Pressão do vapor de Cobre: cerca de 1 [Torr].
Temperatura óptima de operação: 16500C ± 500 C.
É muito sensível á pureza do gás activo.
O laser opera simultaneamente em duas linhas espectrais (verde e amarelo) sem concorrência entre elas (níveis diferentes).
A energia por impulso da linha verde (510,6 [nm]) depende da frequência do impulso eléctrico aplicado (facto experimental).
A energia por impulso da linha amarela (578,2 [nm]) é quase independente da frequência do impulso eléctrico aplicado (facto experimental).
Os lasers de vapor de cobre tem um ganho muito alto, e pode funcionar mesmo sem uma cavidade óptica.
Na prática, um dos espelhos reflecte a100%, o outro a cerca de 10% (pode ser utilizada reflexão de Fresnel sem revestimento).
A elevada temperatura necessária para o processo a laser, é conseguida através do aquecimento causado pela descarga eléctrica no gás.
É possível conseguir lasers a baixas temperaturas (4000C), utilizando sais de cobre, tais como CuCl, mas existem ainda problemas com esses lasers, sendo ainda experimentais.
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser
Tipos de Lasers: Lasers a gás atómicos -O Laser de Vapores de Cobre (CVL)
Aplicações.
1. Fonte de bombeamento de Lasers de corantes de impulso curto.
2. Iluminação de objectos em fotografia de alta velocidade. A saída de um laser de vapor de cobre é, na forma de radiação laser visível quando em impulsos muito curtos, com uma frequência de impulsos muito alta. Portanto, esta radiação pode ser utilizada como uma fonte de luz de flash, em fotografia de alta velocidade. Um exemplo são as fotografias de balas em velocidades de 300-15,000 [m / s].
3. Em atividade forense: Identificação de impressões digitais, e vestígios de elementos especiais na cena de um crime. A radiação laser é utilizada para iluminar a amostra e analisar a fluorescência em comprimentos de onda elevados. Devido à alta potência de pico do laser, pode identificar vestígios residuais que não puderam ser identificados usando luz de espectro estreito convencional.
 4. Terapia Fotodinâmica (Dynamic Photo Therapy- PDT): destruição selectiva de células cancerosas por radiação laser, com comprimento de onda específico, após a injecção de uma droga especial para o paciente.
5. O enriquecimento de urânio (U235). Por fotoionização selectiva de U235 em vapor naturais de urânio. A quantidade de U235 em minério de urânio natural é muito pequena e é muito difícil de isolar. Usando lasers de vapor de cobre, é possível ionizar selectivamente apenas o U235, e recolher o material ionizado em placas electricamente carregadas. • A principal pesquisa de destilação de urânio foi desenvolvida no Laboratório Lawrence, Livermore, nos EUA.
É possível ajustar o laser de corante, por ionização de Plutónio (Pu239), que é usado em armas nucleares. A potência média máxima fornecida por estes laser de vapor de cobre é de 6000 [W], em comparação com os 100 [W] máximos dos lasers disponíveis no mercado.
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser
Tipos de Lasers: Lasers a gás atómicos -O Laser de Vapores de Ouro (GVL)
Características
Usa dois espelhos planos.
Tubo de alumínio D = 55 milímetros .
Entrada de alimentação de 15,7 kW (9.5kV, 1,65 A).
Potência de saída de 20W.
Linha espectral 627.8nm.
Impulsos 50ns, freq. repetição 5.5kHz. 
Temperatura 1730 ° C.
Período de pré-aquecimento 12 horas.
O Ouro (Au) tem linhas espectrais mais pequenas em comparação com Cobre(Cu).
Podem-se combinar metais e ter várias linhas espectrais.
O Ouro é um metal precioso (caro).
Tempo de aquecimento maior que o do Cobre.
 Diferença entre os níveis de energia mais elevados do que o Cu
(bombeamento).
Maior divergência do feixe na saída -> ressonador instável.
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Baseado na excitação, por descarga eléctrica de átomos neutros, libertados por de vapores de metal. A excitação 2P é a mais eficaz devido à elevada secção do orbital 4s em relação ao 3d. O decaimento espontâneo de 2P-2D é lento.
Excitação por 
colisões
de electrões
Transições radiativas rápidas
UV
312 nm
628 nm
Níveis Laser Metaestáveis inferiores
Ouro
2p0
Ground State
Energia 
3/2
1/2
2d
3/2
5/2
2s
1/2
Laser
Tipos de Lasers: Lasers a gás atómicos -O Laser de Vapores de Ouro (GVL)
O laser de vapores de ouro é muito semelhante ao laser de vapores de cobre na estrutura e os princípios de funcionamento. Às vezes, é usado o mesmo sistema para ambos os lasers (tubo do laser e alimentação). A única mudança é substituir o cobre sólido por ouro puro.
As principais aplicações do laser de vapores de ouro estão no tratamento experimental de cancro de pele, por terapia fotodinâmica (PDT).
O comprimento de onda do laser do ouro é vermelho 628 [nm]. 
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser
Tipos de Lasers: Lasers a gás iónicos – Laser de iões de Árgon Ar+
O Laser de iões de Árgon contém um tubo preenchido com gás Árgon que se transforma em plasma em estado excitado, (Plasma é um estado da matéria em que os electrões são separados dos átomos e das moléculas, o que significa que ele contém electrões livres e iões).
O laser de Árgon foi inventado em 1964 por William Bridges nos laboratórios Hughes.
O laser de Árgon tem dois comprimentos de onda dominantes: 514nm que emite luz verde e 488nm que emite luz azul e UV.
Neste laser, como no laser de He-Ne, o tipo de transição laser é atómica. Mas em vez de um átomo neutro, aqui a emissão laser é o resultado das de-excitações do ​​ião. É preciso mais energia para ionizar um átomo do que para excitá-lo. Do mesmo modo, mais energia pode ser obtida a partir da remoção da excitação do ião.
Então, átomos de Árgon duplamente (Ar++) e isoladamente ionizados (Ar+), podem irradiar luz de comprimento de onda mais curto do que poderia o átomo neutro Árgon. 
Devido a isso, os lasers de iões de Árgon, podem produzir luz UV com um comprimento de onda mais curto, como 334 nm. Além disso, estes lasers podem produzir muito mais energia do que os lasers He-Ne.
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser
Tipos de Lasers: Lasers a gás iónicos – Laser de iões de Árgon Ar+
Geralmente a sua potência de saída varia de um a tanto como 20 W. Nos níveis de energia mais elevados a sua saída é multimodo, ou seja, contém vários comprimentos de onda distintos. Alguns destes comprimentos de onda são:
334 nm, UV
351 nm, UV
364 nm, UV
458 nm,  violeta
477 nm , violeta
488 nm, (Forte) Azul
497 nm, Azul-verde
514 nm, (o mais forte)  Verde.
Devido a estas duas razões, de alta potência e de saída multicolor, O laser de iões de Árgon é um dos lasers mais utilizados em espetáculos de luz laser, bem como numa variedade de aplicações.
O tubo laser típico é de cerca de um metro de comprimento, em comparação com apenas 20 cm de um laser de He-Ne. Em segundo lugar, a cavidade óptica destes lasers é construída externamente ao tubo.
O laser de iões de Árgon, é muito semelhante a um laser He-Ne, mas com algumas diferenças ligeiras. Em primeiro lugar, estes lasers são muito maiores em tamanho.
Isto é em parte devido à operação de alta potência de laser e, em parte, porque tal arranjo externo permite a utilização da óptica de selecção de comprimento de onda opcional dentro da cavidade óptica.
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Fonte de Alimentação
Cátodo
Ânodo
Plasma alta Temperatura
Espelho HR
Prisma
Aletas de arrefecimento
Janela de Brewster
Solenoide
Diagrama Básico
Bore tube
Laser
Tipos de Lasers: Lasers a gás iónicos – Laser de iões de Árgon Ar+
Um prisma ou uma grade de difracção (Bragg), localizado imediatamente antes do espelho HR, selecciona apenas uma das transições laser para a amplificação no interior da cavidade; outros comprimentos de onda são desviados para fora da cavidade ressonante. Desta forma estes lasers podem operar no chamado modo único (single mode).
Espelho de saída
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser
HR
 Filamentos
OC
Ânodo(+)
Cátodo (-)
 Aletas de Arrefecimento
Berylia (BeO)
Retorno de Gás
O laser de árgon, consistem em dois espelhos, cada um localizado em cada extremidade do laser, no ângulo óptico do Brewster (isto reduz a quantidade de perdas por reflexão, ao mesmo tempo que polariza o feixe ), uma fonte de alimentação de alta tensão DC, e um tubo de laser de Árgon, que tem um furo de tungsténio, ou óxido de Berílio, que têm um ponto de fusão alto e permitem que o laser opere a níveis de potência elevados com maior tempo de vida do tubo. O laser de Árgon, também tem que ter um sistema se arrefecimento a água ou a ar…
Assim como no Laser de Hélio-Neon, o laser de Árgon tem o tubo de plasma que contém Árgon e quando a corrente é aplicada ao sistema, os átomos ficam excitados. Os átomos retornam depois ao seu estado fundamental emitindo fotões. Os fotões são, então, reflectidos pelos espelhos e, amplificados, saindo do laser como a luz visível, verde ou azul.
Retorno de refrigerante
Refrigerante
Tipos de Lasers: Lasers a gás iónicos – Laser de iões de Árgon Ar+
Magnetos
Plasma
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser
Tipos de Lasers: Lasers a gás iónicos – Laser de iões de Árgon Ar+
O laser de Árgon tem dois comprimentos de onda dominantes: 514nm que emite luz verde e 488nm que emite luz azul e UV.
Diagrama dos Níveis de Energia do Laser de Árgon.
Bombeamento
488nm
514nm
Transições Laser
Decaimento radiativo
Estado fundamental 
do ião Árgon
Estado fundamental 
do Árgon átomo
72nm
A Inversão de população ocorre entre o nível 4p e o nível 4s. O Nível 4s tem tempo de vida curto e decai para o estado fundamental do ião de Árgon. O ião de Árgon recaptura e os electrões são movidos para o nível fundamental do átomo de Árgon 
Inversão de população é conseguida num processo de dois passos. Primeiro de tudo , os electrões no tubo, colidem com átomos de Árgon e ionizam-nos de acordo com o esquema:
Ar (estado fundamental) + muitos electrões com muita energia.
Þ Ar + (estado fundamental) + ( muitos + 1) electrões com menos energia.
4p
4s
Os iões de Árgon no estado fundamental (Ar +), têm uma longa vida, e alguns são capazes de colidirem com mais electrões, antes de se recombinarem com electrões mais lentos. Isto coloca-os em estados excitados de acordo com este esquema.
(Ar +) 
Lasers
31-01-2014
Por : Luís Timóteo
‹nº›
Laser
Tipos de Lasers: Lasers a gás iónicos – Laser de iões de Árgon Ar+
Funcionamento:
Além disso , as transições em cascata de estados excitados mais altos também facilita o mecanismo de inversão de população . O tempo de vida do nível 4p é de 10 ns, o que comparado com tempo de vida de a 1 ns do nível 4s não deixa dúvidas de o laser ser possível. 
Uma vez que há 4 níveis p, em comparação com apenas dois níveis de 4s, as estatísticas do processo de colisão deixa três vezes mais o número de electrões no nível 4p do que no nível 4s. Assim, temos a inversão de população. 
O diagrama mostra as linhas de laser visíveis que são produzidas a partir de Árgon simples ionizado. O Gás Crípton simples ionizado também produz um rico espectro de linhas de laser (embora seja muito menos eficiente do que o Árgon). O Árgon pode ser duplamente ionizado, produzindo nesse caso linhas de laser ultravioleta. Como se pode imaginar os lasers de Árgon UV, exigem ainda mais energia de bombeio, sendo necessárias ainda mais altas correntes de excitação no tubo.
Diagrama dos Níveis de Energia do Laser de Árgon.
Bombeamento
488nm
514nm
Transições Laser
Decaimento radiativo
Estado fundamental 
do ião Árgon
Estado fundamental 
do Árgon átomo
72nm
4p
4s
(Ar +) 
3p5
3p6
Lasers