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Princípios físicos do sistema laser

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Princípios físicos do sistema laser

Funcionamento do sistema laser a varredura e implementação terrestre, aérea e espacial.

ORIGEM do Laser

A origem do laser é discutida. O primeiro maser (microwave amplification by stimulated emission of radiation) ou laser foi desenvolvido por Theodore Maiman em 1960, embora tenha sido Einstein, em 1916, quem propiciou o desenvolvimento teórico do laser, com a publicação de seu tratado Zur Quantum Theorie der Stralung. Foram Schawlow e Townes os enunciadores dos princípios segundo os quais todos os lasers operam.  

Os princípios que regiam a física do laser, antes de 1916, restringiam-se aos princípios de interação da matéria até então conhecidos. A teoria da emissão estimulada proposta por Einstein baseou-se na teoria quântica proposta por Planck em 1900. Esta última discutiu as relações entre as quantidades de energia liberadas por processos atômicos.

O trabalho de Einstein, por sua vez, versou sobre a interação de átomos, íons e moléculas com a radiação eletromagnética em termos da absorção e emissão espontânea de radiação. Com a aplicação de princípios termodinâmicos, Einstein concluiu que o terceiro processo de interação, a emissão estimulada, deveria existir, e nela a radiação eletromagnética deveria ser produzida por um processo atômico. Contudo, outros autores atribuem ao físico americano Gordon Gold o desenvolvimento desse fantástico sistema de seleção de ondas, que permitiu a obtenção de um feixe de luz altamente concentrado.

O sistema foi batizado por Gold de LASER, abreviatura para a expressão inglesa light amplification by stimulated emission of radiation (ou, em português, amplificação de luz por emissão estimulada), que viria a propiciar ao mundo a abertura de novas fronteiras, revolucionando a ciência em diversos campos, desde a microcirurgia até a exploração espacial.

O laser é uma forma de radiação não ionizante, altamente concentrada,

que, em contato com os diferentes tecidos, resulta, de acordo com o tipo do

laser, em efeitos térmicos, fotoquímicos e não lineares. Sendo uma forma de

energia não ionizante, ao contrário de outras formas de radiação usadas terapeuticamente, como, por exemplo os raios X, gama e de nêutrons, a radiação

laser não é invasiva na grande maioria dos comprimentos de onda utilizados

com finalidade terapêutica, sendo muito bem tolerada pelos tecidos.


PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO

O sistema de varredura a laser consiste na emissão de um feixe de laser por meio de um espelho de varredura em direção a determinado objeto que, ao ser ter sua superfície atingida pelo feixe, emite um eco ao sistema. Por sua vez, este sistema registra o tempo decorrido entre a emissão e a captação do eco, precisando assim a distância entre o sensor e a superfície do objeto.

Para realizar esse processo de varredura a laser, o sistema faz uso de elementos essenciais: gerador de pulsos laser, conjunto óptico de transmissão e recepção do pulso, detector de sinais e unidade de controle de armazenamento, além de componentes eletrônicos.

Existem dois tipos de sistemas de varredura a laser, sendo que cada tipo envolve princípios distintos de medida a laser:

Sistema estático: utiliza dois princípios de medida a laser, o intervalo de tempo decorrido desde a emissão do pulso até o retorno dele ao sistema e o princípio da triangulação;

Sistema dinâmico: consiste no sistema de varredura a laser aerotransportado, sendo aplicado a partir de um feixe óptico de alta potência devidamente direcionado e coerente em relação ao espaço e ao tempo, a fim de obter a maior qualidade possível na medição da distância.

Sistema dinâmico: consiste no sistema de varredura a laser aerotransportado, sendo aplicado a partir de um feixe óptico de alta potência devidamente direcionado e coerente em relação ao espaço e ao tempo, a fim de obter a maior qualidade possível na medição da distância.


Detalhando funcionamento sistema dinâmico

Componentes do um: um sistema de transmissor e receptor de pulsos LASER, um conjunto ótico para direcionar os pulsos de laser, e um sistema de orientação posicional para registrar a origem do pulso laser.

O princípio básico de funcionamento consiste em um sistema que emite uma grande quantidade de pulsos LASER direcionados para o terreno através de uma abertura no fundo de uma aeronave.

Um LiDAR pulsado consome energia relativamente elevada em cada pulso de LASER emitido. Cada pulso parte do sistema instalado na aeronave até atingir a superfície ou objetos no terreno, de onde é refletido, retornando ao sistema. Quanto maior a energia por pulso ou menor a distância do sistema ao terreno, um retorno mais forte de luz pode ser registrado porque mais fótons são refletidos pelo terreno abaixo da aeronave.

Durante a operação, é comum que o sistema emita pulsos que são dirigidos ao terreno por espelhos móveis ou giratórios. Os pulsos refletidos no terreno são coletados pelo receptor e são convertidos de sinal ótico (analógico) para eletrônico (digital). O tempo gasto para cada pulso emitido pelo receptor chegar ao objeto ou terreno e ser refletido é medido e, baseado na velocidade conhecida da luz, a distância do sensor até este objeto ou terreno é calculada.

A varredura do terreno é feita no sentido transversal à direção de voo com um ângulo de abertura especificado pelo planejamento da operação. Este ângulo de abertura permite a determinação da largura de faixa coberta, enquanto o movimento da aeronave permite a varredura na direção de voo. A altura de voo é determinante para a qualidade e quantidade de pulsos que retornam ao sistema, assim como, a densidade de pontos é influenciada pela largura de varredura quando considerada em conjunto com o ângulo de abertura.

Dados

Durante o levantamento LiDAR, é criada a chamada nuvem de pontos bruta que consiste em vários milhões de pontos capturados durante o voo (com suas respectivas coordenadas XYZ e outros atributos pertinentes).

A qualidade de um levantamento LiDAR é também dependente do Sistema de Navegação Inercial (INS) que é formado por giroscópios e acelerômetros para registro dos movimentos (inclinação e rotação) da aeronave no instante da emissão do pulso. Para determinadas alturas de voo, esta qualidade do referencial inercial influencia de maneira significativa a qualidade dos pontos processados.

Faz parte do conjunto operativo, um receptor de GNSS na aeronave que registra a posição do sistema a intervalos fixos. Outro receptor baseado no terreno provê a correção de diferencial para uma determinação final de posição mais precisa.

Por meio de pós-processamento, as medidas LASER com seus respectivos ângulos, os dados de GNSS e dados de navegação inercial são combinados para determinar a posição final dos pontos varridos na superfície terrestre, criando a nuvem de pontos LiDAR.

Balanço de energia do laser.

 Fundamentos da Física do Laser

Todo o principio de funcionamento esta estabelecido na excitação dos átomos e liberação da energia luminosa,

Absorção e Emissão espontânea

Os átomos ou moléculas dentro de uma cavidade são excitados através de uma energia, denomino carga. Quando a maioria destes átomos ou moléculas está em estado excitado podem começar a emitir fótons que irão viajar no interior da cavidade, uns estimulando os outros. A emissão estimulada irá produzir mais fótons de mesma freqüência que irão se propagar em todas as direções. Espelhos refletores são colocados nas extremidades desta cavidade permitindo a reflexão, aumentando ainda mais a emissão e, portanto promovendo uma amplificação da radiação e as emissões provenientes de cada átomo são forçadas a ocorrer em uma única direção. Dessa maneira a luz que caminha no interior da cavidade pode ser exteriorizada como RADIAÇÃO LASER. A figura abaixo demostra as etapas do processo de excitação e emissão do feixe laser. 

A radiação laser se diferencia da luz comum por apresentar as seguintes propriedades:

Ser monocromática.

Ter coerência.

Ter direcionalidade (colimação).

O raio laser é ordenado, isto é, as emissões provenientes de cada átomo são forçadas a ocorrer em uma única direção, e, além disto, em instantes de tempo determinados pela “ordem” externa, configurando uma “emissão estimulada”. É possível ter uma visão leiga desse fenômeno acreditando na seguinte assertiva: “Um átomo excitado poderá emitir radiação antecipadamente caso um fóton, proveniente de outro átomo semelhante, passe por ele.

A emissão dar-se-á durante tal passagem, e o novo trem de onda incorporar-se-á ao trem de onda excitador, aumentando seu comprimento e aumentando sua amplitude na região em que os dois coincidirem”. 

Agora que já sabemos da existência de um tipo menos comum de emissão de radiação, ou seja, a estimulada, podemos falar sobre as propriedades particulares do laser, entendendo, então, a sua origem.

A primeira aplicação do laser em medicina foi uma mera substituição de equipamentos básicos em uma técnica já conhecida da oftalmologia – a fotocoagulação. A substituição da lâmpada de xenônio por um laser trouxe fabulosos benefícios para os tratamentos de fundo de olho, graças, principalmente, ao que chamaremos de “primeira propriedade do laser”, que é a alta colimação de seu feixe.


A “segunda propriedade particular” dos lasers refere-se à sua possibilidade de fornecer altas densidades de potências de radiação, o que não deixa de ser, também, uma consequência direta da colimação. Em princípio, se arranjarmos um número muito grande de átomos, teremos no final do percurso um pulso de luz muito intenso, e, se tivermos uma maneira de transferir energia continuamente para os átomos, fazendo-os voltar sempre

para o estado excitado, teremos a manutenção dos pulsos colimados, ou

seja, teremos uma fonte contínua de luz de potência elevada que pode ser

focalizada em área diminuta.

A “terceira propriedade particular” da luz laser é a monocromaticidade,

ou melhor, o alto grau de monocromaticidade da radiação. Essa propriedade decorre do fato de a radiação laser ser produzida por um conjunto de centros idênticos que participam sempre com a mesma transição eletrônica, emitindo fótons iguais.

Casos específicos existem, também, em que um determinado equipamento laser pode emitir diferentes feixes laser, cada um com sua cor definida. É importante observar que apenas enumeramos as leis por motivos didáticos, pois sua ordem é irrelevante.

A lém da coerência espacial o laser é igualmente coerente no tempo, por conta das condições de formação do feixe, o que os torna extremamente uteis nas aplicações de mensuração. 

Existem vários modelos de equipamentos no mercado com frequência de operação variando de 150 kHz até mais de 1 MHz. Em geral, os sistemas LIDAR operam com comprimentos de onda de 1.040 a 1.060 ηm (alguns fabricantes usam o comprimento de onda de 1.550 ηm) que corresponde a parte do espectro eletromagnético próximo do infravermelho quando se trata de mapeamento do terreno. O LiDAR Batimétrico usa o comprimento de onda de 532 ηm, chamado LASER verde, pela sua capacidade de penetração na água.

O principio de funcionamento do laser envolve fornecimento de energia a os materiais, provocando uma descarga de energia na forma de radiação desejada. Dessa forma a cor do laser é determinada pela natureza do corpo emissor e suas características de emissão. A emissão laser é restrita a uma banda muito estreita do espectro eletromagnético, o que a torna monocromática.

Quando a energia luminosa chega a superfície ela pode ser refletida transmitida, absorvida ou espalhada.

O local de absorção depende do comprimento de onda, do cromóforo absorvedor e do diâmetro do foco do laser, enquanto que a taxa de calor depende da potência e do tempo de exposição. Substância cromófora corresponde à substância que irá absorver a radiação laser. Cada tipo de laser vai produzir fótons com determinada frequência, e cada frequência irá ter um cromóforo alvo. A frequência do feixe depende do meio ativo que irá ser estimulado ( ex: CO2, rubi, diodo, érbio, argônio, etc., e o cromóforo corresponde à substância que mais absorve esse tipo de laser ( por exemplo: melanina, hemoglobina, pigmentos, água, etc.). A diversidade de meios ativos de emissão de radiação são diversas, na tabela são apresentados os principais tipos de laser.

Sabe-se que a onda eletromagnética diminiu sua velocidade de propagação dependendo do índice de refração do ambiente. Dessa maneira, componentes químicos no ar(especialmente o CO2), temperatura, umidade, pressão são as principais formas de influências presentes no meio de transmissão que podem interferir na leitura das informações.

Essa influência também é dependente do comprimento de onda da radiação eletromagnética e das suas características físicas do meio ambiente. São inúmeras as formulações para mensurar a influência das condições atmosféricas ao pulso laser.

 

Em que:

Nt é o índice de refração corrente

Amostragem e interpretação do eco do laser: posição, forma e intensidade.

o sistema LiDAR (Light Detection And Ranging) que mede a distância através do tempo de retorno do pulso laser (Time of Flight). Neste sistema de varredura, o instrumento emite milhares de pulsos laser por segundo, normalmente de luz infravermelha. O instrumento mede as distâncias, a intensidade da energia refletida pelo objeto e os parâmetros de atitude do feixe (azimute e elevação), coordenadas polares do ponto, em relação ao referencial do laser (figura).


A partir destes dados é possível calcular as coordenadas cartesianas 3D dos pontos medidos e sua resposta espectral, que pode ser usada para criar uma imagem semelhante à visível. Com este sistema é, teoricamente, possível trabalhar durante a noite, já que não requer luz visível. O resultado final do processo de medição e processamento é uma nuvem de pontos, que poderia ser chamada, genericamente, de Modelo Numérico de Superfície, ao qual o valor de reflectância também pode ser associado.

Exatidão e resolução

Alguns sistemas de perfilamento a laser possuem uma característica marcante que está

relacionada com a capacidade de refletância de determinados objetos. Neste caso são disponibilizados dados de intensidade de retorno dos pulsos ao sistema, que variam de acordo com a superfície perfilada, isto é, a superfície pode absorver ou refletir pulsos de forma diferente

A resolução da nuvem de pontos, que define o número total e a distância entre os pontos, pode ser estabelecida antes da varredura. Este parâmetro depende do tamanho do menor elemento que se deseja levantar e da distância ao objeto. Dependendo do modelo do scanner, pode-se refazer a varredura de alguns detalhes específicos com maior resolução espacial.

As nuvens de pontos com coordenadas dos pontos noespaço objeto e seus valores de reflectância são coletadas de vários pontos de vista para eliminar as oclusões devido à perspectiva central. Para referenciar estes pontos a um sistema do espaço objeto, são necessários alguns pontos bem definidos, normalmente proporcionados por alvos especiais (pelo menos quatro pontos).

Ao contrário da técnica fotogramétrica, que requer sempre duas estações, no mínimo, a varredura a laser requer somente uma estação para coletar coordenadas dos objetos em verdadeira grandeza

Uma característica importante dos scanners do tipo LiDAR é a sua exatidão homogênea em relação à distância do objeto. Enquanto que nos scanners por triangulação ou no processo fotogramétrico, a exatidão diminui com o quadrado da distância, nos scanners LiDAR há uma discreta diminuição da precisão da medida com o aumento da distância. Isto ocorre porque o erro na medida do tempo de retorno não é influenciado significativamente pelo aumento da distância.