8/19/2019 Jose Roberto Berretta I_M
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CNENiSP
MM' ^^Ê' Insi i tulo de Pesquimmt
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nergéticas e Nuclmmra»
A U T A R Q U I A A S S O C I A D A Á U N I V E R S I D A D E
D E S Ã O
P A U L O
I N V E S T I G A Ç Ã O DO P R O C E S S O DE
E N D U R E C I M E N T O
D E M A T E R I A I S
V IA L A S E R
J O S É
R O B E R T O B E R R E T T A
D i s s e r t a ç ã o a p r e s e n t a d a c o m o p a r t e dos
r e q u i s i t o s p a r a o b t e n ç ã o d o G r a u de M e s t r e e m
C i ê n c i a s
na
Á r e a
de
R e a t o r e s N u c l e a r e s
d e
P o t ê n c i a e T e c n o l o g i a d o C o m b u s t í v e l N u c l e a r .
O r i e n t a d o r :
D r . P a u l o I r i s F e r r e i r a
S ã o
P a u l o
1 9 9 5
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I N S T I T U T O D E P E S Q U I S A S E N E R G É T I C A S E N U C L E A R E S
A u t a r q u i a a s s o c i a d a à U n i v e r s i d a d e d e S ã o P a u l o
I N V E S T I G A Ç Ã O D O P R O C E S S O D E E N D U R E C I M E N T O D E
M A T E R I A I S V I A L A S E R
J O S E R O B E R T O B E R R E T T A
D i s s e r t a ç ã o a p r e s e n t a d a c o m o p a r t e d o s
r e q u i s i t o s p a r a o b t e n ç ã o d o g r a u d e
M e s t r e e m Ci ê nc i a s na Á r e a de
Re a t o r e s N uc l e a r e s de P o t ê nc i a e
T e c n o l o g i a d o C o m b u s t í v e l N u c l e a r .
O r i e n t a d o r :
D r . P a u l o í r i s F e r r e i r a
S Ã O P A U L O
1 9 9 5
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Dedico esta dissertação aos m eus pais
Angelo e Dalva,
que sem pre est iveram presentes
nas m inhas real izações.
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A GRADECIMENTOS
A g r a d e ç o a o D r . P a u l o I r i s F e r r e i r a , p e l o e m p e n h o e d e d i c a ç ã o n a
o r i e n t a ç ã o d e s t e t r a b a l h o .
A g r a d e ç o à A n a , m i n h a n a m o r a d a e a m i g a , p e l a c o m p r e e n s ã o , a p o i o e
i n c e n t i v o c o n s t a n t e s .
A g r a d e ç o a o D r . N i l s o n D i a s V i e i r a , p e l o i n c e n t i v o p a r a i n i c i a r e s t e
t r a b a l h o e p o r p o s s i b i l i t a r a e l a b o r a ç ã o d e s t e n o s l a b o r a t ó r i o s d a D i v i s ã o d e
Ó p t i c a A p l i c a d a d o I P E N - C N E N / S P .
A g r a d e ç o :
A o I P E N p o r p o s s i b i l i t a r o u s o d e s e u s l a b o r a t ó r i o s e m p a r t e d o s
e x p e r i m e n t o s .
À C O P E S P p o r p o s s i b i l i t a r o u s o d e s e u s l a b o r a t ó r i o s e m p a r t e d o s
e x p e r i m e n t o s .
A t o d o s o s c o l e g a s d o M E / I P E N q u e c o n t r i b u í r a m p a r a a e x e c u ç ã o d e s t e
t r a b a l h o .
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I N V E S T I G A Ç Ã O D O P R O C E S S O D E E N D U R E C I M E N T O D E
M A T E R I A I S V I A L A S E R
José
R o b e r t o B e r r e t t a
RESUMO
No presente trabalho investigou-se o processo de endurecimento
superficial do aço AISI 1045, induzido pela incidência de um feixe laser. O efeito das
variáveis diâmetro ((j)f), densidade de energia (Wg) e de potência (Wp) do feixe
(parâmetros do laser) e da atmosfera presente durante a irradiação (ambiente e argônio)
foi analizado para irradiações puntiformes e trilhas de pontos. As técnicas de
microdureza Vickers, metalografía óptica, microscopia eletrônica de varredura e
difração de raio X foram empregadas na caracterização do endurecimento e
microestrutura da zona afetada pelo feixe laser. Para o ponto isolado, foi possível
constatar que: a zona afetada pelo laser tem a forma de uma calota esférica (concha)
com dimensões fortemente sensíveis aos parâmetros de feixe e atmosfera; a dureza
medida na superfície e ao longo de uma profundidade (numa seção transversal da zona
afetada) é máxima nas imediações da superfície e decresce rapidamente na interface
entre a zona afetada e o material de base; a ação do feixe laser provoca notável
endurecimento do material, elevando a dureza, do valor inicial 250 HV para valores
máximos na faixa de 800-1000 HV; a raicroestrutura da zona afetada pelo laser é
composta de duas regiões: a primeira, próxima à superfície do material irradiado,
caracterizada pela presença de uma martensita altamente refinada, seguida de uma
região de transição, onde coexistem a ferrita proeutetóide e a martensita. A
investigação das trilhas de pontos forneceu subsidios iniciais para se definir como deve
ser o processo de endurecimento superficial de uma peça, para a relação entre os
parâmetros do laser e a geometria da distribuição dos pulsos na superfície da peça.
Além disso, desenvolveu-se uma equação fenomenológica, para a variação da
proftmdidade da zona afetada pelo laser (z), com as variáveis de feixe que pode ser
descrita por:
^~Á^
ĵ̂ ĵg ^ parâmetro A depende da atmosfera
empregada e B não depende da atmosfera mas varia ligeiramente com a variação de
W p . Com esta equação, foi possível a construção de um ábaco que pode ser usado no
planejamento de operações rotineiras de endurecimento superficial do aço AISI 1045.
Este ábaco, se ampliado, pode ser eventuabnente utilizado pelo projetista de laser para
a escolha da faixa de parâmetros adequados para o endurecimento de materiais, o que
pode resultar em equipamentos dedicados a este fim, mais econômicos.
IV
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L A S E R H A R D E N I N G I N V E S T I G A T I O N O F M A T E R I A L S
J o s é R o b e r t o B e r r e t t a
A B S T R A C T
In this work, the laser hardening process has been investigated using the
AISI 1045 steel . The effects of the variables diameter (^f), energy densi ty (Wg) and
pow er densi ty (Wp ) of the laser beam , as wel l as , the environmenta l a tm osphere ( room
and argon) during irradiation, on the surface hardening, was analyzed for single point
and multiple point (trai l of points) irradiations. Vickers indentation micro hardness,
opt ica l meta l lography, scanning e lec t ron microscopy and X-ray di ff rac t ion were
uti l ized for the characterization of the laser beam affected zone. For the single point
irradiation i t was verified that: the laser affected zone has a spherical cap (shell) shape
with dimensions s t rongly sensi t ive to laser beam parameters and enviroiunenta l
a tmosphere ; the hardness measured on surface , as wel l as a long the depth ( t ransversa l
section of the affected zone), is maximum near the surface and decreases rapidly in the
interface between the affected zone and the base metal; the action of laser beam
induces a strong increase in the AISI 1045 hardness; from an init ial value of 250 HV to
max imum values in the range 800 -1000 H V; the microest ructure of the affected zone is
composed of two regions, one, near the surface of irradiated material , characterized by
the presence of highly refined martensite, and, another, a transit ion region, where
martensi te coexists wi th proeutectoide ferr ite . The invest igat ion perform ed on mul t iple
point irradiation (trai l of points) has given init ial information for a better definit ion of
the surface harden ing of par ts ; concerning the laser param eters and the geom etry of the
pulse dist r ibut ion on the par t surface . Also, a phenomenological equat ion re la t ing the
maximum depth of the laser affec ted zone, z , wi th beam parameters was obta ined,
given by: ^ ^
^ ~ ^ A ^ V
where the parameter A depends on the environment
a tmosphere , and B is only s l ight ly dependent on Wp. With the use of this equat ion a
monogram was const ructed, which can be usea for rout ine surface hardening
operations with AISI 1045 carbon steel . This monogram, if enriched with data from
others mater ia ls , may be eventual ly used by the laser designer to choose the bet ter
range for the laser beam param eters adequate to surface hard ening, ow ing to de dicated,
more economical laser equipments .
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S U M Á R I O
P á g i n a
1 I N T R O D U Ç Ã O
1
2 O L A S E R 2
2 . 1 P r o p r i e d a d e s d a l u z 2
2 . 2 A b s o r ç ã o e e m i s s ã o 4
2 . 3 M e i o a t i vo 6
2 . 4 B o m b e a m e n t o 7
2 . 5 R e s s o n a d o r 9
2 . 6 O s c i l a ç ã o l a s e r 1 1
2 . 7 P r o p r i e d a d e s d a l u z l a s e r 1 2
2 . 7 . 1 P r o p r i e d a d e s e s p a c i a i s d a l u z l a s e r 1 4
2 . 8 P r i nc i p a i s l a s e r s 19
3 O M A T E R I A L
2 4
4
F U N D A M E N T O S D O P R O C E S S A M E N T O D E M A T E R I A S V I A
L A S E R
2 7
4 . 1 I n t e r a ç ã o d a r a d i a ç ã o l a s e r c o m o s m a t e r i a i s 2 7
4 . 2 T e r m o f i s i c a d o p r o c e s s o 3 1
4 . 3 T r a t a m e n t o t é r m i c o s u p e r f i c i a l v i a l a s e r 3 6
5
P R O C E D I M E N T O E X P E R I M E N T A L
4 2
5 . 1 E s c o l h a d o m a t e r i a l 4 2
5 .2 P r e p a r a ç ã o d o m a t e r i a l p a r a o e x p e r i m e n t o 4 2
5 .3 E q u i p a m e n t o s l a s e r s u t i l i z a d o s 4 3
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P á g i n a
5 .4 P r o c e d i m e n t o e x p e r i m e n t a l p a r a m e d i r a a b s o r ç ã o d a
r a d i a ç ã o l a s e r p e l a s u p e r f i c i e e m f u n ç ã o d o a c a b a m e n t o 4 3
5 . 5 I r r a d i a ç ã o d a s a m o s t r a s 4 5
5 . 6 C a r a c t e r i z a ç ã o d o m a t e r i a l i r r a d i a d o 4 6
5 . 6 . 1 M a c r o g r a f i a d a s u p e r f i c i e a p ó s i r r a d i a ç ã o 4 8
5 . 6 . 2 M i c r o d u r e z a d a s u p e r f i c ie 4 9
5 . 6 . 3 M i c r o g r a f í a d a s e ç ã o t r a n s v e r s a l d a s a m o s t r a s
i r r a d i a d a s 4 9
5 . 6 . 4 M i c r o d u r e z a d a s s e ç ã o t r a n s v e r s a l d a s a m o s t r a s
i r r a d i a d a s 5 1
5 . 6 . 4 a M i c r o d u r e z a d o s p o n t o s i s o l a d o s 5 1
5 . 6 . 4 b M i c r o d u r e z a d a s t r i l h a s d e p o n t o s 5 1
6 R E S U L T A D O S E D I S C U S S Ã O 5 3
6 .1 A b s o r ç ã o d a s u p e r f í c i e e m f u n ç ã o d o a c a b a m e n t o 5 3
6 . 2 O b s e r v a ç ã o d a s u p e r f í c i e a p ó s i r r a d i a ç ã o 5 5
6 . 3 M i c r o d u r e z a d a s u p e r f í c i e n a r e g i ã o d o s p o n t o s i s o l a d o s 5 9
6 . 4 M e t a l o g r a f í a d a s e ç ã o t r a n s v e r s a l n a r e g i ã o d o p o n t o
i s o l a d o 6 8
6 . 4 . 1 M i c r o e s t r u t u r a d a r e g i ã o a l t e r a d a p e l a r a d i a ç ã o l a s e r 7 2
6 . 5 M i c r o d u r e z a d a s e ç ã o t r a n s v e r s a l d o s p o n t o s i s o l a d o s 7 9
6 . 6 A ná l i s e da t r i l h a de po n t os 91
7
C O N C L U S Õ E S
100
R E F E R Ê N C I A S B I B L I O G R Á F I C A S 1 04
vil
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1 - I N T R O D U Ç Ã O
O t r a t a m e n t o t é r m i c o s u p e r f i c ia l é l a r g a m e n t e e m p r e g a d o n o
s e t o r i n d u s t r i a l , t a i s c o m o : i n d ú s t r i a a u t o m o b i l í s t i c a , a e r o n á u t i c a , n u c l e a r ,
d e f e r r a m e n t a s , d e m á q u i n a s o p e r a t r í z e s , d e m i n e r a ç ã o , e o u t r a s . A
f i n a l i d a d e d o e m p r e g o d e s t a t é c n i c a é m e l h o r a r a s c a r a c t e r í s t i c a s f í s i c o -
q u í m i c a s d o m a t e r i a l , o u s e j a , s u a r e s i s t ê n c i a a o d e s g a s t e o u a c o r r o s ã o , d e
f o r m a a t o r n á - l o a d e q u a d o a s u a f i n a l i d a d e .
A s t é c n i c a s d e t r a t a m e n t o t é r m i c o m a i s c o n h e c i d a s e n v o l v e m
u m a i n f r a e s t r u t u r a d e g r a n d e s d i m e n s õ e s e a l t o s c u s t o s . A l é m d i s t o , a s
t é c n i c a s c o n v e n c i o n a i s p o s s i b i l i t a m a p e n a s o t r a t a m e n t o d a p e ç a c o m o u m
t o d o , a f e t a n d o a s c a r a c t e r í s t i c a s d i m e n s i o n a i s e g e o m é t r i c a s , e
o c a s i o n a n d o a f o r m a ç ã o d e c a r e p a n a s u p e r f í c i e . E s t a s a l t e r a ç õ e s
i n d e s e j á v e i s a c r e s c e n t a m a o p r o c e s s o d e t r a t a m e n t o t é r m i c o c o n v e n c i o n a l
u m a u s i n a g e m p o s t e r i o r , p a r a a o b t e n ç ã o d o a c a b a m e n t o f i n a l . O
f e r r a m e n t a l e s p e c i a l , q u e e s t a e t a p a a m a i s e x i g e , s i g n i f i c a c o n s i d e r á v e l
a u m e n t o d o s c u s t o s .
A b u s c a d e t é c n i c a s a l t e r n a t i v a s q u e e v i t e m e s t e s p r o b l e m a s é
m u i t o d e s e j a d a , l e v a n d o a o d e s e n v o l v i m e n t o d e t é c n i c a s c o m o a d e
t r a t a m e n t o t é r m i c o v ia " e l e c t r o n - b e a m " e d e i n v e s t i g a ç õ e s d o p o t e n c i a l
u s o do l a s e r .
O o b j e t i v o d e s t e t r a b a l h o é a i n v e s t i g a ç ã o d a t é c n i c a d e
t r a t a m e n t o t é r m i c o d e s u p e r f í c i e v i a l a s e r . T é c n i c a e s t a q u e p o d e v i r a
s i m p l i f i c a r o t r a t a m e n t o t é r m i c o s u p e r f i c i a l d e m a t e r i a i s , p e l a
p o s s i b i l i d a d e d e p o d e r t r a t a r r e g i õ e s l o c a l i z a d a s d e p e ç a s o u m á q u i n a s ,
p o r p o d e r s e r f e i t o e m l o c a l a b e r t o , p e l a p o s s i b i l i d a d e d e s e r u s a d a c o m o
o p e r a ç ã o f i n a l e m u m p r o c e s s o d e f a b r i c a ç ã o , e t c .
A s s i m , d e n t r o d a g r a n d e v a r i e d a d e d e t é c n i c a s d e t r a t a m e n t o
t é r m i c o v i a l a s e r e l e g e u - s e , p a r a u m e s t u d o a p r o f u n d a d o , v i s a n d o
e n t e n d e r e d o m i n a r e s s a t é c n i c a , a t e m p e r a s u p e r f i c i a l v i a l a s e r s e m f u s ã o
d a s u p e r f í c i e .
P a r a a t i ng i r e s s e ob j e t i vo f o i f e i t o um e s t udo no a ç o A I S I
1 0 4 5 , d a s f a i x a s d e d e n s i d a d e d e e n e r g i a ( q u a n t i d a d e d e e n e r g i a p o r
u n i d a d e d e á r e a ) e d e n s i d a d e d e p o t ê n c i a ( q u a n t i d a d e d e p o t ê n c i a p o r
u n i d a d e d e á r e a ) , d o d i â m e t r o d o f e i x e q u e i n c i d e n a s u p e r f í c i e d o
m a t e r i a l e d a a t m o s f e r a q u e e n v o l v e a r e g i ã o o n d e o c o r r e o
p r o c e s s a m e n t o . A a n á l i s e d a s i r r a d i a ç õ e s f o r a m f e i t a s , n a i n c i d ê n c i a d o
f e i x e l a s e r n o m a t e r i a l , e m p o n t o s ú n i c o s e e m t r i l h a s d e p o n t o s .
A s t é c n i c a s d e m i c r o d u r e z a V i c k e r s , m e t a l o g r a f í a ó p t i c a ,
m i c r o s c o p i a e l e t r ô n i c a d e v a r r e d u r a e d i f r a ç ã o d e r a i o - X f o r a m
e m p r e g a d a s n a c a r a c t e r i z a ç ã o d o e n d u r e c i m e n t o e m i c r o e s t r u t u r a d a z o n a
a f e t a da pe l o f e i xe l a s e r .
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2 - O L A S E R
A p a l a v r a L A S E R é u m a c r ô n i m o q u e s i g n i f i c a " L i g h t
A m p l i f i c a t i o n b y S t i m u l a t e d E m i s s i o n o f R a d i a t i o n " , i s t o é ,
" A m p l i f i c a ç ã o d a L u z p o r E m i s s ã o E s t i m u l a d a d e R a d i a ç ã o " .
E i n s t e i n , e m 1 9 1 7 , p r e v i u p e l a p r i m e i r a v e z , d e f o r m a t e ó r i c a ,
a e m i s s ã o e s t i m u l a d a . E m 1 9 5 1 , C . H . T o w n e s d e s e n v o l v e u a p r i m e i r a
p o s s i b i l i d a d e d e a p l i c a ç ã o d e s s e f e n ô m e n o : a a m p l i f i c a ç ã o d e o n d a s
u l t r a c u r t a s ( m a s e r ) , s u a c o n f i r m a ç ã o e x p e r i m e n t a l , v e i o p e l a s m ã o s d o
p r ó p r i o T o w n e s , e m 1 9 5 4 .
O a r t i g o d e A . L . S c h a w l o w e C . H . T o w n e s , e m 1 9 5 8 , f o i a
p r i m e i r a p u b l i c a ç ã o e m m a t é r i a d e l a s e r s , c o m r e p e r c u s s ã o m u n d i a l n o s
m e i o s c i e n t í f i c o s .
O p r i m e i r o l a s e r ( r u b i ) f o i f a b r i c a d o p o r T . H . M a i m a n , n o s
E s t a d o s U n i d o s , e e n t r o u e m f u n c i o n a m e n t o e m j u l h o d e 1 9 6 0 . M a i m a n
u t i l i z o u a t é c n i c a d e b o m b e a m e n t o ó p t i c o , q u e é a i n d a a ú n i c a m a n e i r a d e
f a z e r f u n c i o n a r t o d o s o s l a s e r s d e e s t a d o s ó l i d o .
O a p a r e c i m e n t o d o l a s e r fo i s a u d a d o c o m o c é l e b r e j o g o d e
p a l a v r a s " u m a s o l u ç ã o à p r o c u r a d e u m p r o b l e m a " . D e s d e e n t ã o , o l a s e r
v e m e v o l u i n d o d e m a n e i r a f u l g u r a n t e , g r a ç a s à m u l t i p l i c i d a d e d e s e u s
c a m p o s d e a p l i c a ç ã o , à s e m p r e m a i o r c o n f i a b i l i d a d e d e f a b r i c a ç ã o d o
e q u i p a m e n t o e a o d e s e n v o l v i m e n t o d e n o v a s t é c n i c a s .
O l a s e r , e q u i p a m e n t o p o l i v a l e n t e q u e o f e r e c e s o l u ç õ e s
o r i g i n a i s e c o m p e t i t i v a s , c o n t i n u a a e s t i m u l a r o d e s e n v o l v i m e n t o d e n o v a s
a p l i c a ç õ e s , c o m o o r e c o z i m e n t o d e s u p e r c o n d u t o r e s , a f a b r i c a ç ã o d e l i g a s
o u a m i c r o t ê m p e r a , q u e e r a m d e s c o n h e c i d a s h á a l g u n s a n o s . P o r e s s e s
m o t i v o s , o l a s e r t e m h o j e a p l i c a ç õ e s n a s m a i s v a r i a d a s á r e a s : n o s e t o r
i n d u s t r i a l , e m t r a n s f o r m a ç ã o d e m a t e r i a i s , m i c r o e l e t r ô n i c a , m e t r o l o g i a ,
t e l e c o m u n i c a ç õ e s , i n s t r u m e n t a ç ã o , f o t o q u í m i c a , n a á r e a m é d i c a , n o s e t o r
n u c l e a r e n a s a p l i c a ç õ e s m i l i t a r e s .
2 . 1 - P r o p r i e d a d e s d a L u z
P a r a m e l h o r e n t e n d e r o l a s e r s e r á ú t i l c o m e n t a r a l g u m a s
d e f i n i ç õ e s e p r o p r i e d a d e s d a l u z q u e t e m n a t u r e z a d u a l o n d a - p a r t í c u l a
[ S c h a w l o w , 1 9 6 9 ] , o u s e j a , a l u z é c o n s t i t u í d a d e f ó t o n s q u e s e p r o p a g a m
c o m o o n d a e l e t r o m a g n é t i c a .
F ó t o n s s ã o p a r t í c u l a s s e m m a s s a , q u e p o s s u e m u m a e n e r g i a E ,
o u e q u i v a l e n t e m e n t e s ã o o n d a s e l e t r o m a g n é t i c a s . P o d e m s e r g e r a d o s p o r
e m i s s ã o e s p o n t â n e a , d e m a t e r i a i s n u m e s t a d o d e n ã o e q u i l í b r i o ( e x i t a d o ) .
O s f ó t o n s p o d e m i n t e r a g i r c o m a m a t é r i a , o n d e p o d e m o c o r r e r p r o c e s s o s
d e a b s o r ç ã o o u e m i s s ã o e s t i m u l a d a . A f í s i c a a t ô m i c a o f e r e c e u m a
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i n t e r p r e t a ç ã o o n d e a e n e r g i a E d o f ó t o n é p r o p o r c i o n a l à f r e q u ê n c i a d a
o n d a e l e t r o m a g n é t i c a .
E = h v ( 1 )
o n d e h é a c o n s t a n t e d e P l a n c k
( 6 , 6 3 x 1 0 - 3 4
j . s ) .
A o n d a e l e t r o m a g n é t i c a é c a r a c t e r i z a d a p o r u m a f r e q u ê n c i a d e
o s c i l a ç ã o V e u m c o m p r i m e n t o d e o n d a X. A c a r a c t e r í s t i c a e s s e n c i a l d e t a l
o n d a é p r o p a g a r - s e s e m a t e n u a ç ã o n o v á c u o , n a v e l o c i d a d e d a l u z ( c =
3 x 1 0 ^ m / s ) . P o r t a n t o , e n t r e a f r e q u ê n c i a e o c o m p r i m e n t o d e o n d a e x i s t e ,
n o v á c u o , a r e l a ç ã o :
X=c/v
(2 )
E s t a r e l a ç ã o p e r m a n e c e v á l i d a n o s m e i o s n ã o c o n d u t o r e s
d e s c r i t o s p o r u m a p e r m e a b i l i d a d e m a g n é t i c a e s u s c e p t i b i l i d a d e e l é t r i c a
c o n s t a n t e s n o e s p a ç o , s e n d o c s u b s t i t u i d a p e l a v e l o c i d a d e d a l u z n o m e i o
e m q u e s t ã o .
A p r o p a g a ç ã o d e o n d a s e l e t r o m a g n é t i c a s é d e f i n i d a p o r u m
s i s t e m a d e e q u a ç õ e s d e n o m i n a d a s E q u a ç õ e s d e M a x w e l l [ J a c k s o n , 1 9 6 2 ] .
E n t r e a s f a m i l i a s d e s o l u ç õ e s d e s s a s e q u a ç õ e s u m a d e s e m p e n h a u m p a p e l
f u n d a m e n t a l , p o i s d e s c r e v e a p r o p a g a ç ã o d e u m a o n d a e l e t r o m a g n é t i c a
p l a n a . P o r t a n t o , n o c a s o p a r t i c u l a r d e r e g i m e e s t a c i o n á r i o ( p o r e x e m p l o
n u m r e s s o n a d o r ) , a r e p r e s e n t a ç ã o d o c a m p o e l é t r i c o
E^^i^
a s s o c i a d o a o
p o n t o r n o i n s t a n t e / , d a o n d a e l e t r o m a g n é t i c a d e f r e q u ê n c i a a n g u l a r
co=27tv
e c o m v e t o r d e o n d a k q u e c a r a c t e r i z a a d i r e ç ã o d e p r o p a g a ç ã o , é
d a d a p e l a r e l a ç ã o :
O n d e , o m ó d u l o
k=2n/X é o
n ú m e r o d e o n d a , a a m p l i t u d e
A e a
c o n s t a n t e
de f a s e ^ s ã o , c a da um a e m ge r a l , f unç ã o de r e de / e a e xp r e s s ã o e n t r e
c o l c h e t e s é a f a s e i n s t a n t â n e a d e o n d a ( c o m u m e n t e c h a m a d a f a s e d e
o n d a ) .
E m r e g i m e e s t a c i o n á r i o , e s t e s p a r â m e t r o s d e p e n d e m a p e n a s d a
p o s i ç ã o r.
E s t a r e p r e s e n t a ç ã o e m o n d a s m o n o c r o m á t i c a s p l a n a s é a b a s e
p a r a a d e s c r i ç ã o d o c a m p o e l e t r o m a g n é t i c o d e u m l a s e r .
O e s p e c t r o e l e t r o m a g n é t i c o p o s s u i u m a p a r t e ú t i l q u e c o b r e
m a i s d e 1 2 o r d e n s d e g r a n d e z a , c o n f o r m e m o s t r a o d i a g r a m a d a f i g u r a 1 ,
que s e e s t e nde da s onda s m a i s l onga s de r á d i o a t é a r e g i ã o dos r a i o s X e y
. C o n s e q ü e n t e m e n t e , o t e r m o r a d i a ç ã o l u m i n o s a d e v e s e r t o m a d o n o
s e n t i d o l a t o , p o i s e l e a b r a n g e a s f r e q u ê n c i a s ó p t i c a s , o u s e j a o
i n f r a v e r m e l h o ( I V ) , o v i s í v e l e o u l t r a v i o l e t a ( U V ) . A s d i v i s õ e s s ã o
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4
i m p r e c i s a s e n e c e s s a r i a m e n t e a r b i t r á r i a s , e x c e t o t a l v e z p a r a a r e g i ã o d o
v i s í v e l : 7 0 0 n m ( v e r m e l h o ) a 4 0 0 n m ( v i o l e t a ) .
lo -w 10-«
RAIOS y
RAIOS X
U L T R A - ^
VIOUTAp
1 0 "
1 0 "
10-"
10"
X(m)
ONDAS HERTZIANAS
TV RADIO
1 0 "
1 0 " 1 0 "
10«
10-»
10- 10-
10-»
Fig.l
-
Espectro eletrom agnético.
N e s t e c o n t e x t o p o d e - s e d e f i n i r o l a s e r , q u e é u m a e x c e p c i o n a l
f o n t e d e l u z c o m g r a n d e n ú m e r o d e p a r t í c u l a s , a s q u a i s t e m a m e s m a
e n e r g i a , o m e s m o c o m p r i m e n t o d e o n d a e p r o p r i e d a d e s e s p e c i a i s ,
c o m u m e n t e n o i n t e r v a l o e s p e c t r a l q u e s e e s t e n d e d o i n f r a v e r m e l h o r e m o t o
a o u l t r a v i o l e t a .
2 . 2 - A b s o r ç ã o e E m i s s ã o
U m a c o l e ç ã o d e á t o m o s , m o l é c u l a s o u í o n s p o d e e m i t i r f ó t o n s
n o i n t e r v a l o d e f r e q u ê n c i a s ó p t i c a s d o e s p e c t r o e l e t r o m a g n é t i c o .
U m a t r a n s i ç ã o r a d i a t i v a o c o r r e q u a n d o u m e l é t r o n o r b i t a n d o
a o r e d o r d e u m n ú c l e o m u d a d e c a m a d a , a d q u i r i n d o o u p e r d e n d o u m a
q u a n t i d a d e d e e n e r g i a ( f ó t o n s ) , e o á t o m o é l e v a d o a u m e s t a d o e x c i t a d o
o u a o e s t a d o f u n d a m e n t a l .
U m á t o m o , e m p r e s e n ç a d e u m c a m p o e l e t r o m a g n é t i c o , p o d e
e f e t u a r u m a t r a n s i ç ã o d e u m e s t a d o e s t a c i o n á r i o i n i c i a l d e e n e r g i a
E i ,
p a r a
u m e s t a d o f i n a l d e e n e r g i a E j . Q u a n d o h á t r a n s i ç ã o p a r a u m a e n e r g i a
m a i o r q u e a d o e s t a d o i n i c i a l , o p r o c e s s o d e n o m i n a - s e a b s o r ç ã o d e u m
f ó t o n . N o c a s o r e c í p r o c o d e u m a t r a n s i ç ã o p a r a u m e s t a d o d e e n e r g i a m a i s
b a i x a , o p r o c e s s o s e d e n o m i n a e m i s s ã o d e u m f ó t o n . O r e s u l t a d o
f u n d a m e n t a l d a m e c â n i c a q u â n t i c a é q u e a f r e q u ê n c i a l u m i n o s a v^ , d o
f ó t o n d a t r a n s i ç ã o é d a d a p o r :
h v , . = E , - E , ( 4 )
E s s a r e l a ç ã o , c h a m a d a d e B o h r , e x p r e s s a a c o n s e r v a ç ã o d e
e n e r g i a e n t r e o á t o m o e o c a m p o . P o r o c a s i ã o d e u m a t r a n s i ç ã o , a
d i f e r e n ç a d e e n e r g i a e n t r e o s d o i s e s t a d o s a t ô m i c o s d e v e s e r e x a t a m e n t e
c o m p e n s a d a p e l a a b s o r ç ã o o u e m i s s ã o d e u m f ó t o n . A f r e q u ê n c i a V j , d a
r a d i a ç ã o c o r r e s p o n d e n t e d e v e s e r e x a t a m e n t e i g u a l a e s s e v a l o r , p o i s n ã o
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e x i s t e q u a l q u e r m e c a n i s m o p a r a d i s s i p a r a e n e r g i a d e u m f ó t o n d e
f r e q u ê n c i a l i g e i r a m e n t e d i f e r e n t e , c o n f o r m e m o s t r a d o n a f i g u r a 2 .
ap
ím
A E
ap
la
E m i s a a o
fóton
2 P
l
Fig.2
- Esquem a de absorção e em issão espontânea de um fóton.
O s d i f e r e n t e s p r o c e s s o s d e i n t e r a ç ã o d a r a d i a ç ã o
e l e t r o m a g n é t i c a c o m u m s i s t e m a a t ô m i c o , s ã o t r ê s [Schiff, 1 9 6 8 ] :
Absorção - s e o m e i o a t ô m i c o f o r s u b m e t i d o a u m c a m p o
e l e t r o m a g n é t i c o e s e e s t i v e r e m p r e s e n t e s f ó t o n s d e f r e q u ê n c i a V j „ o á t o m o
p o d e a b s o r v e r u m d e l e s e v e r - s e a s s i m c o n d u z i d o d o e s t a d o
E i
pa r a o
e s t a d o d e e n e r g i a s u p e r i o r
E , .
O c o r r e d e s a p a r e c i m e n t o d e u m q u a n t u m d o
c a m p o e l e t r o m a g n é t i c o ( f ó t o n s ) , e m b e n e f í c i o d o s i s t e m a a t ô m i c o .
Em issão espontânea - n e s s e p r o c e s s o , u m á t o m o e f e t u a
e s p o n t a n e a m e n t e u m a t r a n s i ç ã o d e u m e s t a d o e x c i t a d o E ^ p a r a u m e s t a d o
d e m e n o r e n e r g i a E i e m i t i n d o u m q u a n t u m d e e n e r g i a h v , , . A e m i s s ã o
e s p o n t â n e a t e m a p r o p r i e d a d e d e s e r i s o t r ó p i c a , s e n d o a l e a t ó r i o o i n s t a n t e
d e e m i s s ã o . S e n u m e r o s o s á t o m o s e s t ã o s i m u l t a n e a m e n t e e m u m m e s m o
e s t a d o e x c i t a d o , a e m i s s ã o c o l e t i v a s e r á e s c a l o n a d a n o t e m p o . E s t e
f e n ô m e n o é c o n h e c i d o p o r f l u o r e s c ê n c i a . O t e m p o c a r a c t e r í s t i c o x d e
d e s e x c i t a ç ã o d o s á t o m o s é a d u r a ç ã o d a v i d a m é d i a d o e s t a d o e x c i t a d o .
Emissão Estimulada
- é o p r o c e s s o r e c í p r o c o d o p r e c e d e n t e .
E m p r e s e n ç a d e u m c a m p o , u m f ó t o n d e e n e r g i a e x a t a m e n t e i g u a l a
h V j
i n d u z u m á t o m o a e f e t u a r u m a t r a n s i ç ã o d o n í v e l s u p e r i o r E j p a r a o n í v e l
E , o á t o m o e m i t e u m s e g u n d o f ó t o n , q u e n ã o s ó a f r e q u ê n c i a v , c o m o
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t a m b é m t o d a s a s o u t r a s c a r a c t e r í s t i c a s ( d i r e ç ã o , f a s e , p o l a r i z a ç ã o ) s ã o
i d ê n t i c a s à s c a r a c t e r í s t i c a s d o f ó t o n i n d u t o r . E s s a c r i a ç ã o d e u m s e g u n d o
f ó t o n r e s u l t a d e u m a c o p l a m e n t o e n t r e a o n d a i n c i d e n t e e o s i s t e m a
a t ô m i c o . O s i s t e m a a t ô m i c o q u e r e c e b e u m f ó t o n f o r n e c e u m s e g u n d o
f ó t o n , a g i n d o c o m o a m p l i f i c a d o r d e r a d i a ç ã o . É o p r o c e s s o d e e m i s s ã o
e s t i m u l a d a , q u e e s t á n a p r ó p r i a o r i g e m d o f u n c i o n a m e n t o d o s l a s e r s .
O s d i a g r a m a s d a f i g u r a 3 r e p r e s e n t a m e s q u e m a t i c a m e n t e e s s e s
t r ê s p r o c e s s o s .
E
2
E ,
E j 1 E j Ï
a b a o r c f io e m i sa f to e s p o n t a n e a e m l a s S o e s t i m u l a d a
Fig.3 -
Transições radiativas entre níveis de energia.
2 . 3 - M e i o A t i v o
A e m i s s ã o d e l u z l a s e r p r o v é m d e u m c o n j u n t o d e á t o m o s ,
m o l é c u l a s o u í o n s q u e p o d e m s e a p r e s e n t a r n o s e s t a d o s s ó l i d o , l í q u i d o o u
g a s o s o . E s t e c o n j u n t o é d e n o m i n a d o m e i o a t i v o .
A m a i o r i a d o s á t o m o s n o e s t a d o f u n d a m e n t a l t e m a s c a m a d a s
i n t e r i o r e s c o m p l e t a m e n t e p r e e n c h i d a s e a p e n a s u m a o u d u a s c a m a d a s
p e r i f é r i c a s e s t ã o p a r c i a l m e n t e p r e e n c h i d a s . V i a d e r e g r a , o s e l é t r o n s d a s
c a m a d a s i n t e r i o r e s n ã o p a r t i c i p a m d o s p r o c e s s o s q u í m i c o s o u ó p t i c o s .
A s e x c e ç õ e s i m p o r t a n t e s s ã o a l g u n s m e t a i s d e t r a n s i ç ã o
( v a n a d i o ,
c r o m o , e t c . ) e a l g u m a s t e r r a s r a r a s ( n e o d í m i o , s a m á r i o , e t c ) .
T a i s e l e m e n t o s p o s s u e m u m a c a m a d a e l e t r ô n i c a i n t e r n a i n c o m p l e t a
c e r c a d a p o r u m a c a m a d a e x t e r n a q u e f o r m a u m a b l i n d a g e m c o m r e l a ç ã o
a o s o u t r o s á t o m o s . C o n s e q ü e n t e m e n t e , n u m a t r a n s i ç ã o r a d i a t i v a , o s n í v e i s
i n t e r n o s de e n e r g i a s ã o p o u c o a l a r g a d o s , o q u e l h e s p e r m i t e d e s e m p e n h a r
u m p a p e l d e c i s i v o n o f u n c i o n a m e n t o d o s l a s e r s d e i s o l a n t e d o p a d o .
Q u a n d o v á r i o s á t o m o s f o r m a m u m a l i g a ç ã o e s t á v e l , e l e s
c o n s t i t u e m u m a m o l é c u l a , o n d e o s e l é t r o n s p o d e m s e r d e s c r i t o s p o r u m a
c o n f i g u r a ç ã o o r b i t a l a n á l o g a a d o s á t o m o s . A l é m d e s e u s e s t a d o s d e
e n e r g i a e l e t r ô n i c a , a s m o l é c u l a s p o s s u e m e s t a d o s d e e n e r g i a d e v i b r a ç ã o e
d e r o t a ç ã o . U m e s t a d o q u â n t i c o d a m o l é c u l a é e n t ã o r e p r e s e n t a d o p o r u m
c o n j u n t o d e n ú m e r o s q u â n t i c o s d e r o t a ç ã o . T a i s e s t a d o s d e e n e r g i a
v i b r a c i o n a l e r o t a c i o n a l s ã o a b a s e d e f u n c i o n a m e n t o d e a l g u n s l a s e r s
m o l e c u l a r e s .
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S e o m e i o a t i v o de um l a s e r f o s s e c o n s t i t u í d o de a p e n a s d o i s
n í v e i s , s e r i a i m p o s s í v e l c o l o c a r a m a i o r i a dos á t o m o s em e s t a d o e x c i t a d o .
É
por
i s s o
que os
s i s t e m a s a t ô m i c o s
ou
m o l e c u l a r e s h a b i t u a l m e n t e
u t i l i z a d o s f u n c i o n a m ,
ou em
t r ê s n í v e i s ,
ou em
q u a t r o n í v e i s ,
ou
a i n d a
c o m t r a n s f e r ê n c i a r e s s o n a n t e
de
e n e r g i a [ Y a r i v , 1 9 7 1 ] .
A
f i g u r a
4
e s q u e m a t i z a e s t e s t r ê s p r i n c i p a i s s i s t e m a s a t ô m i c o s e n c o n t r a d o s nos
l a s e r s .
T
X
Tranafa ra f t c l a
^ . n A )
r a d i a t i v a
Ejf
Laser
xc—— T r a n a f a r e f i d a
• ^ ^ n f l o
r a d i a t i v a
Ef f ^
E„
El
f
I^aer
ftvnafarflnela
coUbSo
r a a a o n a n t e
Fig.4 - Esquema dos sistemas atômicos dos lasers.
N o s i s t e m a
de
t r ê s n í v e i s ,
o
n í v e l f u n d a m e n t a l
é o
n í ve l
t e r m i n a l da fluorescência ( E i ) . A i n v e r s ã o de p o p u l a ç ã o e n t r e os n í v e i s
E2
e
El é
o b t i d a p o v o a n d o - s e ,
por
b o m b e a m e n t o e x t e rn o ,
o
n í v e l
E s .
E s t e
se
d e s e x c i t a
de
f o r m a r á p i d a
por um
p r o c e s s o
não
r a d i a t i v o ( c o l i s õ e s ,
v i b r a ç õ e s c r i s t a l i n a s ,
etc.)
p a r a
o
n í v e l m e t a e s t á v e l
E 2 . O
l a s e r
de
r u b i
é
u m e x e m p l o c a r a c t e r í s t i c o
do
s i s t e m a
de
t r ê s n í v e i s .
A
d i f i c u l d a d e
do
p r o c e s s o e s t á no b o m b e a m e n t o i n t e n s o n e c e s s á r io p a r a m a n t e r uma
i n v e r s ã o
de
p o p u l a ç ã o s u f i c i e n t e e n t r e
o
n í v e l
E2 e o
n í v e l f u n d a m e n t a l
E l ,
p o i s é p r e c i s o que m a i s da m e t a d e dos á t o m o s e s t e ja m a r m a z e n a d o s no
n í v e l E 2 , p a r a
que
o c o r r a
a
i n v e r s ã o
de
p o p u l a ç ã o .
E m
um
s i s t e m a
de
q u a t r o n í v e i s ,
o
n í v e l t e r m i n a l
Ei da
t r a n s i ç ã o ó p t i c a p o s s u i e n e r g i a s u p e r i o r à do n í v e l f u n d a m e n t a l . D e s s a
f o r m a
o
s i s t e m a
não tem a
n e c e s s i d a d e
de
f o r n e c e r
um
b o m b e a m e n t o
de
g r a n d e i n t e n s i d a d e .
As
t r a n s f e r ê n c i a s
não
r a d i a t i v a s , t a n t o e n t r e
E3 e E2
c o m o e n t r e Ei e Eo, g e r a l m e n t e são m u i t o r á p i d a s . P o r t a n t o o n í v e l Ei
p e r m a n e c e e s s e n c i a l m e n t e v a z i o .
Com
i s s o ,
uma
b a i x a p o p u l a ç ã o
no
n í ve l
m e t a e s t á v e l E 2 já é s u f i c i e n t e p a r a a i n v e r s ã o de p o p u l a ç ã o ser m a n t i d a ,
s e n d o n e c e s s á r i o s o m e n t e
um
b o m b e a m e n t o m o d e r a d o p a r a m a n t ê - l a .
2 .4
-
B o m b e a m e n t o
C o n s i d e r a n d o - s e um c o n j u n t o de á t o m o s ou m o l é c u l a s em
e q u i l í b r i o , t e m - s e
que a
p o p u l a ç ã o
do
n í v e l i n f e r i o r
da
t r a n s i ç ã o
é
i n d i s c u t i v e l m e n t e a m a i s e l e v a d a , e a a b s o r ç ã o p r e d o m i n a s o b r e a e m i s s ã o
C O M I S C A C f ;ÃC
ON
^L U. u . U i G l A N U C L E A R / S F SPEft
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8
e s t i m u l a d a . A s s i m , p a r a q u e a e m i s s ã o e s t i m u l a d a p r e d o m i n e , é
n e c e s s á r i o p r o d u z i r u m a s i t u a ç ã o q u e n ã o e x i s t e n a t u r a l m e n t e . É
n e c e s s á r i o d e s t r u i r o e q u i l í b r i o t e r m o d i n â m i c o , e f a z e r c o m q u e o n í v e l
s u p e r i o r d a t r a n s i ç ã o s e j a o m a i s p o v o a d o , i s t o é , u m a i n v e r s ã o d e
p o p u l a ç ã o . P a r a r e a l i z a r e s s a c o n d i ç ã o , é n e c e s s á r i o f o r n e c e r e n e r g i a a
e s s e c o n j u n t o d e á t o m o s o u m o l é c u l a s ( a o m e i o a t i v o ) , p o r i n t e r m é d i o d e
u m a f o n t e e x t e r i o r d e e n e r g i a : o b o m b e a m e n t o .
M u i t a s f o n t e s d e e n e r g i a p o d e m s e r u t i l i z a d a s c o m o f o n t e
e x t e r i o r d e e x c i t a ç ã o . A s e g u i r u m a l i s t a d o s m é t o d o s d e b o m b e a m e n t o
e m p r e g a d o s c o m b o n s r e s u l t a d o s [ M a i l l e t , 1 9 8 7 ] :
B o m b e a m e n t o ó p t i c o
I n c o e r e n t e : l â m p a d a f l a s h , l â m p a d a d e a r c o
C o e r e n t e : o u t r o l a s e r
B o m b e a m e n t o
e l e t r ô n i c o
D e s c a r g a s e l é t r i c a s ( c o n t í n u a s , r a d i o -
f r e q u ê n c i a , e t c . )
F e i x e d e e l é t r o n s
B o m b e a m e n t o t é r m i c o
E x p a n s ã o h i d r o d i n â m i c a
B o m b e a m e n t o q u í m i c o C o m b u s t õ e s q u í m i c a s e x o t é r m i c a s ( c h a m a s )
C o m b u s t õ e s r á p i d a s ( e x p l o s õ e s )
B o m b e a m e n t o p o r
p a r t í c u l a s p e s a d a s
F e i xe de í ons
P r o d u t o s d e f i s s ã o d e u m r e a t o r
B o m b e a m e n t o p o r
r a d i a ç ã o i o n i z a n t e
E x p l o s ã o n u c l e a r
F on t e de r a i o X
N o t a - s e q u e a s t é c n i c a s d e b o m b e a m e n t o s ã o b e m
d i v e r s i f i c a d a s . O b o m b e a m e n t o ó p t i c o , q u e é o p r i n c í p i o u t i l i z a d o n o s
l a s e r s d e e s t a d o s ó l i d o e m p r e g a d o s n e s t e t r a b a l h o , s e r á d e s c r i t o c o m m a i s
d e t a l h e s .
O b o m b e a m e n t o ó p t i c o é , p r o v a v e l m e n t e , o m é t o d o m a i s
d i r e t o p a r a c r i a r u m a i n v e r s ã o d e p o p u l a ç ã o . C o n s i s t e e m u t i l i z a r u m a
f o n t e a u x i l i a r d e r a d i a ç ã o , c o e r e n t e o u i n c o e r e n t e , n a f r e q u ê n c i a a d e q u a d a
p a r a s e r a b s o r v i d a p e l o t i p o d e m e i o a t i v o c o n s i d e r a d o , c o n d u z i n d o - o s ,
a s s i m , a s e u s e s t a d o s e x c i t a d o s [ L e v i n e , 1 9 6 6 ] .
O s d i s p o s i t i v o s m a i s c o m u n s s ã o l â m p a d a s , d o t i p o d o s
flash es e l e t r ô n i c o s u t i l i z a d o s e m f o t o g r a f i a , d e g á s n o b r e c o m o o x e n ô n i o .
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o criptônio ou o neônio, sob baixa pressão em um tubo de quartzo munido
de dois eletrodos, onde uma descarga elétrica pulsada com corrente de
alta densidade (>100 A/cm^), cria uma fiuorecência de grande brilhância.
Quando uma corrente elétrica é descarregada no tubo, forma-se um
plasma, que emite uma radiação de banda larga. Essa radiação possui um
espectro complexo formado por linhas isoladas e por um contínuo.
Geralmente é possível ajustar os parâmetros da descarga, isto é, a pressão,
a tensão e a corrente, de forma a adaptar uma parte dessa banda de
emissão a uma faixa útil de absorção do meio laser ativo em questão.
Os lasers de isolante dopado, como por exemplo: Cr:Ti02,
Nd:YAG, Nd:YLF e T i : A l 2 0 3 ; e os lasers de corante, func ionam por
bombeamento óptico.
2.5 - Ressonador
O ressonador é a sede de uma oscilação eletromagnética
estacionária. O ressonador óptico é constituído por dois espelhos
montados frente a frente a uma dada distância e tendo uma reta que passa
por um plano normal aos dois espelhos, similar ao interferômetro de
Fabry-Pérot [Koechner, 1988]. A função do ressonador, dado um meio de
ganho em seu interior, é manter e amplificar o campo eletromagnético. A
figura 5 apresenta esquematicamente as configurações dos ressonadores
mais utilizados.
Utilizam-se dois artifícios para comparar entre si as
configurações geométricas dos ressonadores: a estabilidade e a taxa de
preenchimento.
A noção de estabilidade caracteriza a reprodutibilidade do
trajeto do feixe que reflete de um espelho para o outro. Se, após múltiplas
reflexões, o feixe não for refletido para fora da cavidade, este é estável, e
instável no caso contrário. Para um ressonador constituído por dois
espelhos com raios de curvatura
R c i
e
Rc2,
respectivamente, espaçados por
uma distância L, define-se o critério de estabilidade do sistema como
[Koechner, 1988]:
0 < ( l - L / R „ ) - ( l
- ^ / ' ' c 2
) < l (5)
Uma boa taxa de preenchimento significa que a extensão
espacial do feixe na cavidade, isto é seu volume óptico, preenche o
máximo de volume do meio ativo.
Compreende-se que para lasers de potência seja necessário
encontrar um compromisso entre estes dois critérios antinómicos, pois
uma boa estabilidade significa um confinamento quase total do feixe em
torno do eixo óptico, que implica em um baixo preenchimento do
ressonador.
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S e m e m p r e e n d e r um e s t u d o d e t a l h a d o das d i f e r e n t e s
c o n f i g u r a ç õ e s , s e r ã o e x a m i n a d a s a l g u m a s p r o p r i e d a d e s
dos
r e s s o n a d o r e s
m a i s c l á s s i c o s , c o n s t i t u i d o s
de
e s p e l h o s e s f é r i c o s .
L
T i p o p l a n o - p l a n oi p o p l a n o - p l a n o
Roi = R o 2 = 0 0
_ ^P*> e o n f o c a l
Roj = Rog = L
Tipo eafer ico
Roi = Ro3= l
/ 2
T i p o g r a n d e s
r a i o a de c u r v a t u r a
Tip o in r táv a l
C a a s e g r a l n
Fig.5
- Esquema dos ressonadores mais utilizados.
O s espelhos planos-paralelos
(R ci = Rc2
= q o
c o n s t i t u e m
r e s s o n a d o r e s
com uma
t a x a
de
p r e e n c h i m e n t o m á x i m a , p o i s
o
v o l u m e
t o t a l
da
c a v i d a d e p o d e
ser
p r e e n c h i d o . E n t r e t a n t o ,
se os
e s p e l h o s
e s t i v e r e m l i g e i r a m e n t e d e s a l i n h a d o s , o f e i x e p o d e r á ser r e f l e t i do p a r a f o r a
d a c a v i d a d e a p ó s um n ú m e r o p e q u e n o de r e f l e x õ e s . A e s t a b i l i d a d e d e s s e s
r e s s o n a d o r e s
é
m a r g i n a l .
A l g u m a s c o m b i n a ç õ e s de e s p e l h o s e s f é r i c o s a p r e s e n t a m boa
e s t a b i l i d a d e ,
mas os
e s p e l h o s e s f é r i c o s
nem
s e m p r e p e r m i t e m
o
p r e e n c h i m e n t o e f i c a z
do
v o l u m e
da
c a v i d a d e .
Um
t i p o
de
r e s s o n a d o r
m u i t o u t i l i z a d o é o ressonador confocal simétrico ( R c i
=
Rc 2 = L), o n d e os
e s p e l h o s
têm
c o m o f o co c o m u m
o
m e i o g e o m é t r i co
do
r e s s o n a d o r . N e s s e
p o n t o , o f e i x e se c o m p r i m e em uma p e q u e n a e x t e n s ã o c i r c u l a r de r a i o wo
c h a m a d a
de
c i n t u r a
do
f e i x e
e
u n i c a m e n t e d e t e r m i n a d a p e l a g e o m e t r i a
dos
e s p e l h o s .
A
c i n t u r a
do
f e i x e p o s s u i
um
r a i o d a d o
por:
8/19/2019 Jose Roberto Berretta I_M
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11
Wo={Á.L/27ry''~ (6 )
O v o l u m e e x c i t a d o s i t u a d o f o r a d o e i x o ó p t i c o q u a s e n ã o é
u t i l i z a d o , o q u e e x p l i c a a i n s i g n i f i c a n t e t a x a d e p r e e n c h i m e n t o d e s s e t i p o
d e r e s s o n a d o r .
O s ressonadores esféricos simétricos ( R c i = R c 2 = L /2 )
p o s s u e m d o i s f o c o s s i t u a d o s à d i s t â n c i a L / 4 d e s e u s r e s p e c t i v o s e s p e l h o s
e t ê m u m c í r c u l o d e g a r g a l o c e n t r a l q u a s e n u l o . E m b o r a e s s e s
r e s s o n a d o r e s t e n h a m u m a t a x a d e p r e e n c h i m e n t o b a s t a n t e e l e v a d a , e l a s
q u a s e n ã o s ã o u t i l i z a d a s , p o r s e r e m m a r g i n a l m e n t e e s t á v e i s .
O c o m p r o m i s s o g e o m é t r i c o m a i s f r e q u e n t e e n t r e o s l a s e r s
i n d u s t r i a i s é o r e s s o n a d o r c o m
grandes raios de curvatura
( R c i
» L,
R c 2 » L ) , q u e a p r e s e n t a u m a e s t a b i l i d a d e a c e i t á v e l e u m f e ix e c u j o p e r f i l
e s p a c i a l o c u p a d e f o r m a s a t i s f a t ó r i a o m e i o a t i v o .
E m a l g u m a s s i t u a ç õ e s , u m a configura ção instável do
ressonador p o d e s e r m u i t o ú t i l . N o s l a s e r s d e p o t ê n c i a , f r e q u e n t e m e n t e é
v a n t a j o s o e m p r e g a r r e s s o n a d o r e s i n s t á v e i s , p o i s e s t e s p o s s i b i l i t a m a
o t i m i z a ç ã o d o p r e e n c h i m e n t o d o v o l u m e e x c i t a d o . A m b o s o s e s p e l h o s t ê m
e n t ã o u m a r e f l e t i v i d a d e m á x i m a , e o s t r a j e t o s d e i d a e v o l t a d o f e i x e
a m p l i f i c a d o s ã o p o u c o n u m e r o s o s . E m c o n t r a p a r t i d a , o e s s e n c i a l d a s
p e r d a s é c o n s t i t u í d o p e l a s p e r d a s d e a c o p l a m e n t o d o f e i x e p a r a o e x t e r i o r
a o n í v e l d o s e s p e l h o s . M o d i f i c a n d o - s e s i m p l e s m e n t e a d i s t â n c i a e n t r e o s
d o i s e s p e l h o s , p o d e - s e a j u s t a r o a c o p l a m e n t o d e s a í d a n u m a g r a n d e f a i x a
d e v a l o r e s . A s a í d a d e u m r e s s o n a d o r i n s t á v e l d o t i p o C a s s e g r a i n
a p r e s e n t a u m f e i x e c o m s e ç ã o r e t a a n u l a r . E s t a f o r m a c a r a c t e r í s t i c a n ã o
d i m i n u i m u i t o a s p o s s i b i l i d a d e s d e u t i l i z a ç ã o d o f e i x e . E s t e p o d e s e r
f o c a l i z a d o , p o r e x e m p l o , e m u m c a m p o c u j o c e n t r o a p r e s e n t a o m á x i m o
d e i n t e n s i d a d e , c o m o n o s o u t r o s l a s e r s . E s t e s r e s s o n a d o r e s q u e
a p r e s e n t a m g r a n d e s p e r d a s s ã o u t i l i z a d o s s o b r e t u d o c o m m e i o s a t i v o s d e
g a n h o s e l e v a d o s d e f r a co s i n a l e t o r n a m p o s s í v e l u m a e x t r a ç ã o m á x i m a d e
e n e r g i a d o m e i o a t i v o s o b f o r m a d e u m f e i x e d e b o a q u a l i d a d e . P e r m i t e m ,
p o r t a n t o , g e r a r p o t ê n c i a s ó p t i c a s m u i t o e l e v a d a s .
2 . 6 - O s c i l a ç ã o L a s e r
A o s c i l a ç ã o l a s e r é o b t i d a c o n s t r u i n d o - s e u m r e s s o n a d o r
ó p t i c o c o n s t i t u í d o p o r d o i s e s p e l h o s r e f l e t o r e s , c o l o c a d o s f r e n t e a f r e n t e e
o m e i o a t i v o c o m b o m b e a m e n t o a d e q u a d o e n t r e e l e s , c o m o r e p r e s e n t a d o
e s q u e m a t i c a m e n t e n a f i g u r a 6 . E s s e s e s p e l h o s r e f l e t e m a o n d a
e l e t r o m a g n é t i c a g e r a n d o m ú l t i p l a s p a s s a g e n s d e i d a e v o l t a n o m e i o a t i v o
d e s s a o n d a , a m p l i f i c a n d o a s s i m o c a m p o e l e t r o m a g n é t i c o n a c a v i d a d e . O
a c o p l a m e n t o ó p t i c o e m d i r e ç ã o a o e x t e r i o r r e a l i z a - s e c o m o u s o d e u m
e s p e l h o s e m i t r a n s p a r e n t e .
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12
C o n s i d e r e - s e
o
e s t a b e l e c i m e n t o
do
c a m p o e l e t r o m a g n é t i c o
e n t r e os d o i s e s p e l h o s do r e s s o n a d o r , um dos q u a i s s e m i t r a n s p a r e n t e . Sob
i n f l u ê n c i a
de
b o m b e a m e n t o ,
os
á t o m o s
são
l e v a d o s
ao
e s t a d o e x c i t a d o .
A
i n t e n s i d a d e
da
e m i s s ã o e s p o n t â n e a e f e t u a - s e
a uma
t a x a s u p e r i o r à q u e l a
p e r m i t i d a p e l o e q u i l í b r i o t e r m o d i n â m i c o . E s s a e m i s s ã o o c o r r e
em
t o d a s
as
d i r e ç õ e s , e e s p e c i a l m e n t e na d i r e ç ã o do e i x o ó p t i c o do r e s s o n a d o r , o n d e
s e r á r e f l e t i d a p e l o s e s p e l h o s . N e s s a d i r e ç ã o o b t e r - s e - á
um
t r a j e t o f o r m a d o
d e m ú l t i p l a s r e f l e x õ e s e n t r e
os
e s p e l h o s , o n d e
a
r a d i a ç ã o a m p l i f i c a - s e
por
e m i s s ã o e s t i m u l a d a , a c a d a p a s s a g e m p e l o m e i o a t i v o . Uma c e r t a f r a ç ã o
d o c a m p o e l e t r o m a g n é t i c o a t r a v e s s a
o
e s p e l h o s e m i t r a n s p a r e n t e p a r a
c o n s t i t u i r o f e i xe l a s e r , ao p a s s o que a f r a ç ã o r e f l e ti d a m a n t e m - s e na
c a v i d a d e
no
t r a j e t o
ao
l o n g o
do
e i x o ó p t i c o , r e s u l t a n d o
no
a u m e n t o
de
i n t e n s i d a d e da r a d i a ç ã o na c a v i d a d e . E s t e p r o c e s s o r e p e t e - s e n u m e r o s a s
v e z e s , r e s u l t a n d o
em uma
r e g e n e r a ç ã o
da
r a d i a ç ã o ,
e a
e n e r g i a
a r m a z e n a d a no n í v e l s u p e r i o r E 2 da t r a n s i ç ã o é ra p i d a m e n t e c o n v e r t id a em
u m a o n d a e l e t r o m a g n é t i c a m u i t o i n t e n s a , p e l o p r i n c í p i o
da
e m i s s ã o
e s t i m u l a d a .
A
f i g u r a
7
i l u s t r a
o que foi
d e s c r i t o .
E s p e l h o
de
nsflejESo
E s p e l h o
s e m i
t r a n s p a r e n t e
Fig.6 - Esquema básico de um
laser.
D e v e f i c a r
bem
c l a r o
que, em
r e g i m e p e r m a n e n t e ,
a
e x t r a ç ã o
d a e n e r g i a e l e t r o m a g n é t i c a
ao
n í v e l
do
e s p e l h o s e m i t r a n s p a r e n t e
é um
p r o c e s s o c o n t í n u o e não um p r o c e s s o r e p e t i t i v o c o m o se p o d e r i a p e n s a r
p o r e s s a s i m p l e s d e s c r i ç ã o . C o n v é m l e m b r a r
que a
f u n ç ã o
do
r e s s o n a d o r
n ã o é a p e n a s g a r a n t i r a r e g e n e r a ç ã o e a m p l i f i c a ç ã o da o n d a
e l e t r o m a g n é t i c a , mas t a m b é m f i lt r a r uma ou v á r i a s f r e q u ê n c i a s de
o s c i l a ç ã o d e s s e c a m p o
no
i n t e r i o r
da
b a n d a
de
e m i s s ã o
dos
á t o m o s a t i v o s
p e l o c o m p r i m e n t o de o n d a de r e f l e x ã o dos e s p e l h o s .
2 .7 - P r o p r i ed a d e s da Luz L a s e r
e x p l i c a m c o m o
os
l a s e r s p o d e m
f u n c i o n a r e p r o d u z i r f e i x e s com um g r a u e x t r e m a m e n t e a l t o de
i n t e n s i d a d e e s t ã o
a
m o n o c r o m a t i c i d a d e ,
a
c o e r ê n c i a ,
a
d i r e c i o n a l i d a d e
e a
b r i l h â n c i a .
E n t r e as c o n d i ç õ e s que
e p r o d u z i r f e i x e s
com
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13
E s p e l h o
lOOX re f l e to r i f â o a t i vo
Espe lho
p a r c i a l
R e s s o n a d o r
¡ / : : : ^ ^ : : : : \ : : ; : y L L L • „ . ,
m
3̂ * * * f l O s c i l a ç ã o
l a s e r
k • • a
L a s e r
Fig.7 -
Princípio de funcionam ento do laser.
A monocromaticidade é a p r o p r i e d a d e q u e o c o r r e d e v i d o a
d u a s c i r c u n s t â n c i a s : s o m e n t e u m a o n d a e l e t r o m a g n é t i c a d e f r e q u ê n c i a v
p o d e s e r a m p l i f i c a d a e , v i s t o q u e o a r r a n j o d e d o i s e s p e l h o s f o r m a u m a
c a v i d a d e r e s s o n a n t e , a o s c i l a ç ã o p o d e o c o r r e r s o m e n t e n a s f r e q u ê n c i a s
r e s s o n a n t e s d e s t a c a v i d a d e . E s t a ú l t i m a c i r c u n s t â n c i a i n d u z a l a r g u r a d e
l i n h a d o l a s e r s e r m u i t o m a i s e s t r e i t a q u e a l a r g u r a d e l i n h a c a r a c t e r í s t i c a
d a t r a n s i ç ã o 2 - > l ( v e r f i g . 4 ) , o b s e r v a d a e m e m i s s ã o e s p o n t â n e a .
Coerência é u m a p r o p r i e d a d e q u e p a r a s e r e n t e n d i d a s e r á
n e c e s s á r i o d e f i n i r d o i s c o n c e i t o s , i s t o é , o d e c o e r ê n c i a e s p a c i a l e o d e
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coerência temporal. Uma onda eletromagnética será considerada coerente
quando atender simultaneamente esses dois conceitos.
Para definir
coerência espacial
considera-se dois pontos
Pi
e
P2
no instante t=0, que estão na mesma frente de onda de uma dada onda
eletromagnética, sendo
Ei
(t) e
E2
(t) os campos elét ricos cor respondentes
destes pontos. Pela definição, a diferença entre as fases dos dois campos
no instante t=0 é zero. Agora, se essa diferença permanecer zero num
instante t>0 qualquer, existe uma coerência entre os dois pontos. Se isso
ocorre para dois pontos quaisquer da frente de onda eletromagnética, essa
onda tem coerência espacial.
Para definir
coerência temporal
será considerado um campo
elétrico da onda eletromagnética num dado ponto P, nos tempos t e t+t. Se
para uma dada diferença de tempo
t
, a diferença de fase entre os dois
val ores de campo elétr ico permanec e o mesmo para qualquer, tempo t,
existe coerência temporal durante o intervalo x. Se isso ocorrer para um
val or de x qualquer, a onda eletromagnética tem coerência temporal.
Direcionalidade
ocorre pel o fato do material ativo estar em
uma cavidade ressonante, onde somente uma onda propagando ao longo da
direção da cavidade pode ser sustentada pela mesma.
A
brilhância
de uma dada fonte de onda eletromag nética é
definida como a potência emitida por unidade de área de superfície por
unidade de ângulo sólido. Um laser de potência moderada tem um brilho
que é ordens de grandez a maior que o bri lho das fontes conv enci onai s.
Isto deve-se à altíssima direcionalidade do feixe laser.
2.7.1 - Propriedades espaciais da luz laser
Modos transversos
O ressonador óptico de um oscilador laser é uma estrutura
aberta, constituída por dois espelhos bastante espaçados e altamente
refletores, situados frente a frente. Assim, do ponto de vista da óptica
geométrica, é evidente que os modos desse ressonador apresentam perdas
muito grandes, especialmente para a propagação transversa, e que os
modos com perdas baixas estão associados com a propagação da radiação
ao longo do eixo da cavidade. Consequentemente, a manutenção dos
modos é possível desde que sejam impostas algumas restrições à
geometria da cavidade.
Em regime estacionário, denomina-se modo transverso uma
distribuição espacial 1 A(r) | estável do campo da onda laser em um plano
perpendicular ao eixo do ressonador. Nos lasers estáveis com espelhos
esféricos, tais configurações espaciais do campo denominam-se modos
transversos eletromagnéticos
TEMmnq
(figura 8). Os índices inte iros
i zmu:mr . ^ u . . c i  NUCLEAR/SP s r -
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enumeram os zeros da distribuição espacial segundo dois eixos ortogonais
de coordenadas em uma seção transversal, e q é o índice de modo
longitudinal associado. O cálculo dessas distribuições também permite
determinar as frequências dos modos. A teoria [Koechner, 1988] mostra
que as frequências que satisfazem a condição de ressonância completa nas
três dimensões podem ser expressas por:
^mnq
= +
[(/Ti
+
AÏ
+
1) /
;r
].COS-'
[1
- (L /
R^, .[1
- (L /
R^ ^
)\ ^}.c / 2L U)
Está claro que as frequências axiais
q
=q.{cl2L), estão
ligeiramente defasadas de uma quantidade que expressa a existência de
ressonâncias transversas do campo.
O modo TEMooq, muitas vezes chamado simplesmente de
T E M o o , não possui zero algum, qualquer que seja a direção considerada
(m=n =0), pois é axia lmen te simét rico. É o cham ado modo fundamental do
ressonador aberto, e sua distribuição do campo é gaussiana.
• I I I I I l l l l
QO
1 2 3
% i # 2 f l l l i
0% 0 f l « ^ ¡ 1 ^
11 21 22 33
Fig.8
- Esquema da distribuição espacial das intensidades dos modos transversos
Do ponto de vista da teoria da difração, isto significa que a
amplitude do campo que se propaga na cavidade possui em todos os
pontos uma distribuição gaussiana. O princípio físico desse resultado está
no fato de cada reflexão sobre um espelho produzir a transformada de
Fourier da onda incidente. A distribuição espacial, que em uma
propagação livre reproduz-se igual a si mesma, é de natureza gaussiana,
uma vez que ela é a sua própria transformada de Fourier. A intensidade do
campo em um ponto do ressonador, situado a uma distância r do eixo Oz
(ver fig.9) do ressonador, escreve-se para o caso do modo fundamental:
/(r) = /o.e-2^'''^'(^)
(8)
o n d e , Io é a in te ns id ad e so bre o eixo óp ti co e w(z) é o ra io do cír cul o pa ra
o qual a intensidade diminui de um fator e^ com relação a Io.
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E m u m fe i x e g a u s s i a n o , p o d e - s e d e m o n s t r a r [ K o e c h n e r , 1 9 8 8 ]
q u e o r a i o w ( z ) v a r i a a o l o n g o d o e i x o ó p t i c o s e g u n d o a l e i h i p e r b ó l i c a
w ( z ) = W o .V l + ( z / z , ) ' o "d e z
= Tt.cúll X
(9)
o n d e , W o é o r a i o m í n i m o d o f e i x e o u r a i o d a c i n t u r a d o f e i x e u n i c a m e n t e
d e t e r m i n a d o p e l a g e o m e t r i a d a c a v i d a d e , e Z r c h a m a d o d e d i s t â n c i a d e
R a y l e i g h , é u m p a r â m e t r o d e e s c a l a q u e s e p a r a o c a m p o p r ó x i m o d a o n d a
d o c a m p o r e m o t o .
A s h i p é r b o l e s g e r a d a s p e l a i n t e r s e c ç ã o d a s u p e r f í c i e
a x i s s i m é t r i c a d e r a i o w
z )
c o m p l a n o s c o n t e n d o o e i x o Oz s ã o a p r e s e n t a d a s
n a f i g u r a 9 . E l a s s ã o n o r m a i s a s f r e n t e s d e o n d a e c o r r e s p o n d e m à d i r e ç ã o
l o c a l d o f l u x o d e e n e r g i a . C o m p r e e n d e - s e a g o r a q u e , c o m u m m o d o
t r a n s v e r s o d e s s e t i p o , f o r m a - s e u m r e s s o n a d o r e s t á v e l s i m p l e s m e n t e
i n s e r i n d o - s e , e m d o i s l o c a i s d o e i x o ó p t i c o , r e f l e t o r e s c u j o s r a i o s d e
c u r v a t u r a u n e m - s e l o c a l m e n t e à f r e n t e e s f é r i c a d e o n d a . N e s s a s
c o n d i ç õ e s , o f e i x e r e f l e t i d o r e p r o d u z - s e i d ê n t i c o a s i m e s m o .
e s p e l h o
c i n t u r a /
do f e ixe r - ^
e s p e l h o
e ixo
Z
z =o
c o n t o r n o
do fe ixe
1
c o n t o r n o d e
i n t e n s i d a d e
l o / e "
Fig.9
-
Esquem a da dis tr ibuição energética do m odo fundamental gaussiano, cintura
do feixe, divergência e frentes de onda.
O f e i x e d e s a í d a d e u m l a s e r p o d e r e s u l t a r d a s u p e r p o s i ç ã o d e
v á r i o s m o d o s t r a n s v e r s o s d e o r d e m s u p e r i o r . A p r o p r i e d a d e f u n d a m e n t a l
q u e t o r n a t ã o i m p o r t a n t e o f e i x e g a u s s i a n o é q u e , d e v i d o à o b s e r v a ç ã o
f e i t a s o b r e a t r a n s f o r m a d a d e F o u r i e r , e l e s m a n t ê m s u a d i s t r i b u i ç ã o
g a u s s i a n a m e s m o s e f o r e m f o c a l i z a d o s o u t r a n s m i t i d o s p o r s i s t e m a s
ó p t i c o s .
O s r e s s o n a d o r e s i n s t á v e i s a p r e s e n t a m d i s t r i b u i ç õ e s
t r a n s v e r s a s m a i s c o m p l e x a s . E n t r e t a n t o , p o d e - s e d e m o n s t r a r q u e o m o d o
f u n d a m e n t a l d e u m r e s s o n a d o r , c o m o o r e s s o n a d o r C a s s e g r a i n ,
c o r r e s p o n d e a u m a d i s t r i b u i ç ã o u n i f o r m e d a e n e r g i a n o f e i x e d e g e o m e t r i a
a n u l a r , i s t o é , u m a o n d a p l a n a c o m e x t e n s ã o e s p a c i a l l i m i t a d a a e s s e a n e l .
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Divergencia
O feixe laser, que tem como característica a sua
direcionalidade e excepcional colimação, se propaga no espaço seguindo
as curvas hiperbólicas do fluxo de energía. Portanto, o feixe tem uma
divergencia que é quantificada pela medida do ângulo formado pela linha
de centro do feixe e a curva hiperbólica do fluxo de energía que tende
assintoticamente a um cone cujo o semi-ângulo, para o modo T E M o o ,
tende a:
e =
'o
(10)
O limite do ângulo de divergência de um feixe é determinado
pelas leis de difração. Durante sua passagem em um orifício de abertura
d, um fóton com determinada quantidade de movimento p, sob incidência
normal, tem sua quantidade de movimento alterada por um componente
situado no plano do orifício. A direção de propagação é desviada de um
ângulo 0 que no caso geral é dado por [Koechner, 1 9 8 8 ] :
ô
=K.À/d
(11)
onde,
K é um fator de proporcionalidade próximo da unidade e depende
da distribuição transversa de energia no feixe incidente: K=l,22 em uma
onda plana (distribuição uniforme) e K =2 / 7 t em um feixe gaussiano.
Os feixes oriundos de um laser e que beiram ou igualam o
valor mínimo fixado pela equação, chamados limitados pela difração,
representam o caso final realizável. Apenas os feixes gaussianos ou os de
distribuição uniforme podem realmente ser limitados pela difração, não
sendo possível uma focalização abaixo desse limite. Geralmente, deseja-
se a menor divergênc ia possível. Na tabela 1 [Mail let, 1987] tem-se
alguns valores típicos das divergências encontradas nos lasers mais
comuns no campo científico ou industrial.
Tab.l -
Valores médios da divergência dos principais lasers comerciais.
C O 2 Nd :Y AG Nd:vi dro AsCa Rubi HeNe Ar
Compriment o de 10,6 1,06 1,06 0,905 0,694 0,632 0,488
onda
X
(um)
Div ergênci a 1-10 2-10 0,5 -10 20-20 0 0,5-1 0 0,2-11 0,5-1
29 (mrad)
Not a-se na tabela 1 que, em muitos casos, a divergênci a
natural pode cobrir aproximadamente uma ordem de grandeza. Isto só é
totalmente exato para lasers de grande potência, como os lasers de CO^ ou
os lasers de vidro dopados com neodímio, ou ainda os lasers de rubi, pois
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a d i v e r g ê n c i a t e n d e a a u m e n t a r c o m o a u m e n t o d a p o t ê n c i a . O s v a l o r e s d a
t a b e l a 1 r e p r e s e n t a m o s v a l o r e s d e u m f e i x e n a t u r a l e m e r g i n d o d o l a s e r
s e m c o l i m a ç ã o e s p e c i a l . S e m p r e s e p o d e a u m e n t a r a c o l i m a ç ã o u t i l i z a n d o
u m t e l e s c ó p i o c o m u m a m o n t a g e m a f o c a l . A f i g u r a 1 0 a p r e s e n t a o
e s q u e m a b á s i c o . D u a s l e n t e s c o m r e s p e c t i v a s d i s t â n c i a s f o c a i s f, e s ã o
c o l o c a d a s d e m a n e i r a a p a r t i l h a r u m f o c o e m c o m u m . S e o f e i x e l a s e r
i n i c i a l d e d i â m e t r o d ; e d e d i v e r g ê n c i a 9 , c o b r i r t a n t o a p r i m e i r a c o m o a
s e g u n d a l e n t e , a c o l i m a ç ã o d o l a s e r s e r á o i n v e r s o d o a u m e n t o d o
t e l e s c ó p i o , o q u e s i g n i f i c a q u e :
0
,.d,=
02.02
A
( 12 )
Ba
— i
Keple r i ana
Gali lenlana
Fig. 10 -
Esquem as de te lescópios para m odificação da divergência de um feixe.
P a r a c o m p r e e n d e r d e m a n e i r a e m p í r i c a a p r o f u n d a d i s t i n ç ã o
e x i s t e n t e e n t r e o l a s e r e u m a f o n t e l u m i n o s a c o n v e n c i o n a l , a t a b e l a 2
c o m p a r a a s p r o p r i e d a d e s e s p e c t r a i s [ M a i l l e t , 1 9 8 7 ] d e u m a l â m p a d a d e
m e r c ú r i o c o m o l a s e r m a i s c o m u m ( l a s e r d e h é l i o - n e ô n i o - H e N e ) . U m a
c o m p a r a ç ã o d e s t e t i p o s ó s e r á r e p r e s e n t a t i v a s e f o r l e v a d o e m c o n t a o
â n g u l o s ó l i d o e m q u e s e e f e t u a a e m i s s ã o , a s s i m c o m o a l a r g u r a e s p e c t r a l
d a r a d i a ç ã o e m i t i d a . A g r a n d e z a r e p r e s e n t a t i v a s e r á e n t ã o a l u m i n â n c i a
e s p e c t r a l o u b r i l h â n c i a . C o n s t a t a - s e q u e p a r a u m a p o t ê n c i a 1 0 ' v e z e s
m e n o r , o l a s e r H e N e p o s s u i u m a b r i l h â n c i a p e l o m e n o s 1 0^ v e z e s m a i o r
q u e a d a l â m p a d a d e m e r c ú r i o , d e v i d o a o f a t o d a e m i s s ã o l a s e r e f e t u a r - s e
e m u m a b a n d a m u i t o e s t r e i t a d e f r e q ü ê n c i a s . J u s t a m e n t e n e s t a n o t á v e l
p u r e z a e s p e c t r a l é q u e r e s i d e a v a n t a g e m d o s l a s e r s . V e m s o m a r - s e a i s t o
u m a p r o p r i e d a d e e s p a c i a l e s s e n c i a l q u e c a r a c t e r i z a a d i r e t i v i d a d e d a
r a d i a ç ã o : u m f e i x e l a s e r p o s s u i u m a d i v e r g ê n c i a p e q u e n a , o u s e j a , o
â n g u l o s ó l i d o e m q u e s e e f e t u a a e m i s s ã o é m u i t o p e q u e n o , d a o r d e m d e
m i c r o e s t e r a d i a n o s .
N o s l a s e r s p u l s a d o s , a e n e r g i a l u m i n o s a é f o r n e c i d a d u r a n t e
p u l s o s b r e v e s q u e d u r a m , g e r a l m e n t e , d e a l g u n s n a n o s s e g u n d o s a t é n o
m á x i m o a l g u n s m i l i s s e g u n d o s , e a e n e r g i a c o n c e n t r a - s e d e f o r m a
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19
temporal. Assim, uma potência de pico de alguns megawatts irradiada por
um laser comum de rubi , corresponde a uma bri lhâ ncia aproxi madamente
1013
vezes maior que a brilhância do sol (no mesmo ângulo sólido e na
mesma banda de frequência).
Tab. 2 - Tabela comparativa entre uma fonte luminosa comum e um laser.
Lâmpada conv enci onal a Laser - HeNe
vapor de mercúrio
X=546 ,0 nm
P=100 W
Comprimento de onda
Potência
Banda espectral
Ângulo sólido de emissão
Brilhância
AX=10 nm
ô n
= 4 7 t
esteradianos
lx,= l W/cm2.sr.nm
^=632,8 nm
P=0,1 mW
AA.=2.10-3 nm
8Q=10-6 esteradianos
1;^=5.107
W/cm2.sr.nm
2.8 -Principais Lasers
Desde o surgimento do primeiro laser até os nossos dias,
várias centenas de tipos de lasers, funcionando em comprimentos de onda
que vão do IV remoto até o UV e utilizando praticamente todos os meios
ativos disponíveis, demonstraram nos laboratórios sua viabilidade. Além
disso prosseguem os estudos sobre desenvolvimento de novos lasers,
como o de elétrons livres e de raio X. Entretanto, apenas algumas dezenas
deles chegaram e continuaram a ser fabricados industrialmente. Embora
todos esses lasers possuam em comum um meio ativo, um sistema de
bombeamento e uma cavidade ressonante, suas características de
funcionamento diferem radicalmente em numerosos aspectos, tais como as
propriedades do feixe e as limitações de operação. Evidentemente,
diferem também pelo preço.
Naturalmente não é possível expor com detalhes essa
evolução tecnológica. Assim, serão descritos somente alguns lasers que
são objetos de aplicações de natureza científica ou industrial. Os lasers
são classificados em quatro famílias, diferenciadas basicamente pela
natureza do meio ativo:
Lasers de isolante dopados,
onde a radi ação prov eniente de uma
lâmpada, flash ou arco, excita opticamente a emissão de átomos
introduzidos sob forma de íons metálicos e de terras raras em uma matriz
sólida isolante de cristal ou vidro. Esses diferentes tipos de lasers são
constituídos de forma semelhante, às vezes até mesmo idêntica, exceto
quanto à forma do cristal ou a alguns elementos de óptica utilizados.
Lasers de gás,
que const it uem a maior par te da indust ria de lasers e
funcionam com base em uma excitação, geralmente de natureza elétrica
mas ocasionalmente também de natureza química, de meios gasosos
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20
a t ô m i c o s , n e u t r o s , i o n i z a d o s o u m o l e c u l a r e s . A p r e s e n t a m d o i s m o d o s d e
f u n c i o n a m e n t o , c o n t í n u o e p u l s a d o e d o i s r e g i m e s g a s o s o s , e m f l u x o o u
s e l a d o .
Lasers de corantes, o p e r a m c o m o m e s m o t i p o d e m e i o a t i v o , u m
c o r a n t e o r g â n i c o d i l u í d o e m u m s o l v e n t e l í q u i d o . R e t i r a m e n e r g i a d a
r a d i a ç ã o e m i t i d a p o r o u t r a f o n t e ó p t i c a ( l â m p a d a f l a s h o u l a s e r s ) . S u a s
c a r a c t e r í s t i c a s d e p e n d e m e s s e n c i a l m e n t e d a s c a r a c t e r í s t i c a s d a f o n t e
ó p t i c a d e b o m b e a m e n t o .
Lasers de sem icondutores, e m q u e a r a d i a ç ã o é e m i t i d a n o i n t e r i o r
d e u m a j u n ç ã o p - n e m u m d í o d o d e t ip o s e m i c o n d u t o r . O c o m p r i m e n t o
d e o n d a d e p e n d e d a c o m p o s i ç ã o d e s s e m a t e r i a l . A s c a r a c t e r í s t i c a s d e
f u n c i o n a m e n t o e s t ã o l i g a d a s à c o m p o s i ç ã o , b e m c o m o à e s t r u t u r a d o
d i s p o s i t i v o .
A f i g u r a 1 1 a p r e s e n t a o e s p e c t r o e l e t r o m a g n é t i c o e a s
r e s p e c t i v a s p o s i ç õ e s d o s l a s e r s c o m e r c i a i s m a i s c o m u n s , s e g u n d o s e u s
c o m p r i m e n t o s d e o n d a d e e m i s s ã o .
10» 10»
10«
U L m - v i o u n - A
VISÍVEL
Fig. 11 -
Espectro e le trom agnético com o posic ionam ento dos lasers comerciais m ais
comuns segundo os seus comprim entos de onda.
A s e g u i r e s t ã o a p r e s e n t a d a s a s p r i n c i p a i s l i n h a s d e e m i s s ã o e
c a r a c t e r í s t i c a s d e f u n c i o n a m e n t o d o s l a s e r s m a i s r e l e v a n t e s .
— L a s e r d e g á s c a r b ô n i c o C O j (A,= 1 0 , 6 u m ) , l a s e r m o l e c u l a r q u e
e m i t e e m r e g i m e c o n t í n u o o u p u l s a d o .
— L a s e r d e n e o d í m i o ( N d ) s i t u a d o n o i n f r a v e r m e l h o p r ó x i m o
(> .= l ,06} xm ) . É um l a s e r de i s o l a n t e d o pa do c om N d . A m a t r i z i s o l a n t e
p o d e s e r c r i s t a l i n a ( Y L F , Y A G ) , q u e f u n c i o n a e m r e g i m e c o n t í n u o o u
p u l s a d o , o u a m o r f a ( v i d r o d o p a d o ) , q u e f u n c i o n a e s s e n c i a l m e n t e e m
r e g i m e p u l s a d o .
— L a s e r d e a r s e n e t o d e g á l i o ( A s G a ) , l a s e r d e s e m i c o n d u t o r q u e
e m i t e n o I V p r ó x i m o ( X d e 8 5 0 a t é 9 0 0 n m ) , e m r e g i m e c o n t í n u o .
— L a s e r d e r u b i ( C r : A l 2 0 3 ) , l a s e r d e i s o l a n t e d o p a d o q u e f u n c i o n a
e m p u l s o s n o v i s í v e l ( A . = 6 9 4 , 3 n m , v e r m e l h o ) .
— L a s e r d e h é l i o n e ô n i o ( H e N e ) , l a s e r d e g á s q u e e m i t e e m r e g i m e
c o n t í n u o n o v i s í v e l ( X = 6 3 2 , 8 n m ( v e r m e l h o ) ) .
C O W I S S À O í i¿C. :CK^ t V;: ;. í . t P G Í A N U C L E Ã R / S F íi
8/19/2019 Jose Roberto Berretta I_M
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— L a s e r d e c o r a n t e , l a s e r c o m p a t í v e l c o m f r e q u ê n c i a s e m t o d o o
v i s í ve l ( de 700 a t é 400 nm ) e a l guns va l o r e s do I V e U V , e m r e g i m e
c o n t í n u o o u p u l s a d o .
— L a s e r d e a r g ô n i o , l a s e r d e g á s i o n i z a d o q u e f u n c i o n a e m r e g i m e
c o n t í n u o e m v á r i a s l i n h a s v i s í v e i s , s e n d o a s d u a s l i n h a s m a i s i n t e n s a s e m
A,=488 nm (azu l ) e > .=514 nm (verde) .
— L a s e r d e n i t r o g ê n i o ( N j ) , e m i t e n o U V ( A . = 3 3 7 n m ) , e m r e g i m e
p u l s a d o .
— L a s e r d e e x c í m e r o , l a s e r s m o l e c u l a r e s p u l s a d o s n o U V , c u j o
r e p r e s e n t a n t e m a i s c o m u m é o l a s e r d e c l o r e t o d e x e n ô n i o ( X e C l ) , q u e
emi te em A,=308 nm.
S e r ã o c o m e n t a d o s c o m m a i o r e s d e t a l h e s a s e g u i r o s l a s e r s d e
i s o l a n t e d o p a d o , q u e a t u a m c o m o f e r r a m e n t a n e s s e t r a b a l h o .
Laser de rubi. O
p r i m e i r o m e i o a t i v o e m q u e f o i d e m o n s t r a d o
o e f e i t o l a s e r é o r ub i , que c on t i nua a s e r um l a s e r m u i t o u t i l i z a do .
O m e i o a t i vo é um a ba r r a de r ub i r o s a ob t i da po r
c r i s t a l o g ê n e s e a r t i f i c i a l , i s t o é , u m c r i s t a l d e a l u m i n a t r a n s p a r e n t e o u
c o r i n d ó n Ç A I 2 O 3 ) , c u j a r e d e i s o l a n t e s e r v e d e h o s p e d e i r a p a r a í o n s d e
c r o m o C r .
N e s s e l a s e r , o n í v e l f u n d a m e n t a l é t a m b é m o n í v e l i n f e r i o r d a
t r a n s i ç ã o l a s e r . A s s i m , d e a c o r d o c o m a s o b s e r v a ç õ e s a n t e r i o r e s , o l a s e r
d e r u b i é u m s i s t e m a d e t r ê s n í v e i s . P o r e s s e m o t i v o , e l e a p r e s e n t a u m
l i m i a r d e f u n c i o n a m e n t o m u i t o e l e v a d o e e x i g e u m b o m b e a m e n t o m u i t o
p o t e n t e , d a o r d e m d e 3 0 0 J / c m , p a r a e s t a b e l e c e r a i n v e r s ã o d e p o p u l a ç ã o .
O n í v e l s u p e r i o r é s e p a r a d o e m d u a s c o m p o n e n t e s . I s t o e x p l i c a a
o c o r r ê n c i a d e d u a s e m i s s õ e s , e m 6 9 4 , 3 n m e 6 9 2 , 7 n m , s e n d o q u e a
p r i m e i r a é p r e d o m i n a n t e .
G e r a l m e n t e , o b o m b e a m e n t o d o r u b i é e f e tu a d o s u b m e t e n d o -
s e a b a r r a a u m b o m b e a m e n t o ó p t i c o p o r l â m p a d a f l a s h . A s d e n s i d a d e s d e
c o r r e n t e n a s l â m p a d a s p o d e m u l t r a p a s s a r 1 0 0 A / c m , s e n d o d e 5 0 0 o
t e m p o d e b o m b e a m e n t o .
N o p l a n o d o r e s s o n a d o r ó p t i c o , j á s e a b a n d o n o u a t é c n i c a d e
M a i m a n , q u e u t i l i z a v a o p r ó p r i o c r i s t a l c o m o r e s s o n a d o r , a p ó s t e r
p r e v i a m e n t e p o l i d o s e t r a t a d o s a s f a c e s d a s e x t r e m i d a d e s d o b a s t ã o . O s
a t u a i s l a s e r s d e r u b i , o u d e i s o l a n t e d o p a d o e m g e r a l , u t i l i z a m e s p e l h o s
e x t e r n o s . O u o b a s t ã o p o s s u i f a c e s t a l h a d a s n a i n c i d ê n c i a d e B r e w s t e r
d a n d o a e m i s s ã o n u m a p o l a r i z a ç ã o l i n e a r b e m d e f i n i d a , o u e n t ã o o b a s t ã o
é t a l h a d o e m u m â n g u l o p r ó x i m o a o d a n o r m a l c o m r e l a ç ã o a o s e u e i x o , e
a s f a c e s p o l i d a s s ã o t r a t a d a s c o m c a m a d a s m u l t i d i e l é t r i c a s a n t i - r e f l e t o r a s
n o c o m p r i m e n t o d e o n d a d e f u n c i o n a m e n t o .
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U m l a s e r d e r u b i p o d e l i b e r a r e n e r g i a s d a o r d e m d e a l g u m a s
d e z e n a s d e j o u l e s p a r a d u r a ç õ e s d e p u l s o s d a o r d e m d o m i l i s s e g u n d o , o u
s e j a , p o t ê n c i a s d e p i c o d e a l g u n s q u i l o w a t t s . E m f u n c i o n a m e n t o c h a v e a d o ,
g e r a l m e n t e se o b t é m a l g u n s j o u l e s p a r a p u l s o s d e 3 0 n s , o u s e j a , p o t ê n c i a s
de p i c o e n t r e 30 e 100 M W . A s t a x a s d e r e p e t i ç ã o h a b i t u a i s d e u m l a s e r
de r ub i va r i a m e n t r e 0 , 1 e 0 ,
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