Jose Roberto Berretta I_M

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 .

111


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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


11/116

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


12/116

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


13/116

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


14/116

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 .


15/116

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


16/116

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 .


17/116

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.


18/116

10

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


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


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:


19/116

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 .


20/116

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


21/116

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


22/116

14

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 Â NUCLEAR/SP s r -


23/116

15

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.


24/116

16

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 .


25/116

17

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


26/116

18

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


27/116

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


28/116

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


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21

— 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 ,

Jose Roberto Berretta I_M

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