A geração de lasers

A geração de lasers
A geração de lasers foi proposta por Einstein em 1916 com sua teoria da “emissão espontânea e estimulada”. Essa teoria constitui a base física dos sistemas de laser modernos. A interação entre fótons e átomos pode levar a três processos de transição: absorção estimulada, emissão espontânea e emissão estimulada. Desde que a emissão estimulada possa ser sustentada e estável, é possível obter lasers. Portanto, dispositivos especiais – os lasers – precisam ser fabricados. A composição de um laser geralmente consiste em três partes principais: a substância ativa, o dispositivo de excitação e o ressonador óptico.

1. Substância de trabalho

A substância em um laser que pode gerar luz laser é chamada de substância ativa. Em circunstâncias normais, a distribuição dos números atômicos na substância em cada nível de energia é uma distribuição normal. O número de átomos no nível de energia mais baixo é sempre maior do que no nível de energia mais alto. Portanto, quando a luz atravessa a substância ativa em seu estado normal, o processo de absorção é dominante e a luz sempre enfraquece. Para que a luz seja amplificada após atravessar a substância ativa e, assim, obter a amplificação da luz, é necessário tornar a emissão estimulada dominante. Para que o número de átomos no nível de energia mais alto seja maior do que no nível de energia mais baixo, essa distribuição é oposta à distribuição normal e é chamada de inversão do número de partículas.
2. Dispositivo de excitação
A função do dispositivo de excitação é excitar átomos de um nível de energia inferior para um nível de energia superior, permitindo que a substância em questão atinja uma inversão do número de partículas. Os níveis de energia da substância incluem o estado fundamental e o estado excitado, bem como um estado metaestável. O estado metaestável é menos estável que o estado fundamental, mas muito mais estável que o estado excitado. Em termos relativos, os átomos podem permanecer no estado metaestável por um período de tempo mais longo. Por exemplo, os íons de cromo (Cr³⁺) no rubi possuem um estado metaestável com uma vida útil da ordem de 10⁻³ segundos. Após a substância em questão ser excitada e atingir a inversão do número de partículas, inicialmente, devido às diferentes direções de propagação dos fótons emitidos pela radiação espontânea, os fótons da radiação estimulada também apresentam diferentes direções de propagação, resultando em muitas perdas na emissão e absorção; consequentemente, não é possível gerar uma emissão de laser estável. Para permitir que a radiação estimulada continue a existir no volume limitado da substância em questão, é necessário um ressonador óptico para realizar a seleção e amplificação da luz.
3. Ressonador Óptico
Trata-se de um par de espelhos refletores mutuamente paralelos, instalados em ambas as extremidades da substância de trabalho, perpendicularmente ao eixo principal. Uma extremidade é um espelho de reflexão total (com taxa de reflexão de 100%) e a outra extremidade é um espelho parcialmente transparente e parcialmente refletor (com taxa de reflexão de 90% a 99%).
As funções do ressonador são: ① gerar e manter a amplificação óptica; ② selecionar a direção da luz emitida; ③ selecionar o comprimento de onda da luz emitida. Para uma determinada substância de trabalho, devido a vários fatores, o comprimento de onda da luz emitida não é único e o espectro apresenta certa largura. O ressonador pode desempenhar um papel de seleção de frequência, melhorando a monocromaticidade do laser.