Laser de Alexandrite-funcionamento
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UNIVERSIDADE EDUARDO MONDLANE FACULDADE DE CIÊNCIAS DEPARTAMENTO DE FÍSICA
Física e Tecnologia do Laser Laser de Alexandrite (pesquisa bibliográfica)
Docente: dr. Luís Manuel
Discentes: Belarmino Matsinhe Emmanuel Mwizerwa
Maputo, 2012
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Física e Tecnologia do laser
INDICE DE SUMARIO
PAG
RESUMO .........................................................................................................................................................
iii
1 INTRODUÇÃO .............................................................................................................................................
1
2 REVISÃO BIBLIOGRAFICA .......................................................................................................................
2
2.1 breve Historial .......................................................................................................................................... 2
2.1.1 conhecimento popular .....................................................................................................................
2
2.1.2 conhecimento ciêntifico ..................................................................................................................
2
2.2
Laser princípios básicos e avançados ......................................................................................................... 3
4.1 Caracteristicas ou propriedades do laser de alexandrite .................................................................
11
4.3 Princípios de funcionamento ................................................................................................................
12
5. APLICAÇÕES............................................................................................................................................
14
5 BIBLIOGRAFIA ..........................................................................................................................................
15
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Física e Tecnologia do laser
RESUMO O objectivo desta pesquisa bibliográfica é descrever em linhas gerais o laser em particular o laser alexandrite. Sabendo que o laser é considerado uma das maiores invenções do século 20 sendo sinônimode alta tecnologia. A tecnologia laser é uma ferramenta muito importante em diversas áreas, como por exemplo, na medicina onde é utilizado em cirurgias e em telecomunicação servindo de fonte nas transmissões de sinais ópticos.e o laser é destinada a amplificação da luz através da estimulação de emissão de radiação. Os lasers são fontes únicas de luz estabelecidas no processo de emissão estimulada.por sua vez laser de alexandrite é um laser do estado sólido que actua centralizado em 755 nm, proximo à emissão infravermelha, seu pulso dura cerca de 100 ns, o seu maior comprimento de onda garante maior poder de penetração concebido exclusivamente para fins medicinais. Para que seja possível entendermos o funcionamento do laser, é necessário antes esclarecermos alguns pontos fundamentais, como a emissão induzida de radiação onde o átomo passa do estado estado excitado para o estado fundamental com ajuda externa. Esta emissão é considerada coerente porque os átomos não liberam energia independentemente entre si, com relação de fase, direção ou polaridade entre as emissões. Desta maneira, a radiação é multidirecional, sendo apenas a freqüência fixada pelo intervalo entre os níveis de energia, isto é, rio laser.
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Física e Tecnologia do laser
!. Objectivos
Descrever em geral Princípios basicos , constituição e sintonização dos lasers.
Descrever a formação, lavagem e construção, Mecanismo de corte (em cristais, metais e outros) e suas aplicações em diferentes áreas do lase alexandrite.
1 INTRODUÇÃO Quando a matéria está em presença de radiação de frequência apropriada, ocorrem processos como as transicões radioactivas à medida que os átomos no estado fundamental são excitados e os átomos nos estados excitados regressam ao estado fundamental. A importância destes processos depende da intensidade da radiação e da matéria estar ou não no equilibrio térmico. Os dispositivos em que isso se processa são designados de forma direccionada lasers . as características especiais que diferenciam a luz laser em particular da luz
comum, como a monocromaticidade, coerência, direccionalidade, possibilidade de focalização empequenas áreas e emissão de altas densidades de energia, fazem do laser um instrumento de grande interesse e importância. O desafio agora é descrever asseguir de forma compacta e informativa aos físicos com percepção tão distinta, tanto os fundamentos da física do laser direccionados, suas principais características de emissão e sintonização bem como um resumo do laser alexandrite e suas aplicações.
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Física e Tecnologia do laser
2 REVISÃO BIBLIOGRAFICA 2.1 breve Historial
2.1.1 conhecimento popular Suspeita-se que a primeira referência a um tipo de energia radiante que pode ser interpretada como laser foi encontrada nos escritos do livro War of the Worlds por H.G. Wells. Nesta história a região inglesa é invadida por Alienigenas de Marte que usavam um “heat ray” para destruir as aldeias .
2.1.2 conhecimento ciêntífico A discussão do laser e seus principios começa com a formulação dos princípios de radiação eletromagnética feita por Einstein. A radiação eletromagnética é uma forma básica de energia que pode exibir ondas e propriedades de partículas. Um “quantum”
de energia eletromagnética chamada fotão pode estimular um átomo excitado para emitir outro fotão com a mesma energia. Os fotões resultantes tem energia e tamanho de onda iguais e estão em fase (temporal e espacial). Em 1960, Theodore Maiman observou a estimulação de uma luz vermelha numa lâmpada de flash excitada por um cristal de rubi. A tecnologia do laser vem sendo desenvolvida nos ultimos 40 anos, com base nos conhecimentos de áreas como óptica, espectroscopia, fisica dos semicndutores, e física do estado solido.os primeiros a sugerir a aplicação do laser alexandrite foi Farrel e Fang em em 1964, porém não foram bem sucedidos, Mas somente em 1997 nos estados unidos foi introduzido o primeiro laser de alexandrita ganhando o mercado para a suas aplicaões em 1999 pela AlliedSignal Corporetion.
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Física e Tecnologia do laser
2.2 Laser - princípios básicos e avançados
Os lasers são dispositivos que geram ou amplificam radiação coerente da luz, nas regiões do visível, infravermelha (IR) e ultravioleta (UV) do espectro óptico. O campo de lasers é em geral tratado pela eletrônica quântica,mas pode-se tratar de lasers de uma maneira clássica e não-quântica.
2.2.1 transições radioctivas em sólidos A teória de bandas explica muitas das propriedades dos corpos sólidos de uma forma consistente. Uma destas propriedades é a luminiscência radioactiva, em geral quando os eléctrões dos átomos são excitados por algum meio( absorção da radição ou por bombardeamento com eléctrões) o sistema atómico tende a voltar ao estado inicial em alguns casos o processo dominante é a transição radioctioctiva. Um sistema que se encontre num nivel excitado de energia, pode passar ao nivel de menor energia de duas formas:
Espontânea – a probabilidade e de emissão de radiação depende unicamente da estrutura interna do sistema, e ocorre com a emissão de um fotão.
Fig 1. Decaimento espontâneo do electrão de nivel E y para Ex
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Física e Tecnologia do laser
Induzida – a probabilidade de emissão é produzida pelo campo electromagnético da radiação incidente sobre o sistema, logo depende da intensidade da radiação.
Fig 2. Decaimento induzido do electrão de nivel E y para Ex
Até certo ponto, as transições induzidas podem ser consideradas oscilações forçadas do sistema, dai originam uma radição monocromatica e coerente em quanto que a emissão espontânea embora monocromatica a radiação é incoerente.mas a acção laser decorre como mostra a figura 3.
Fig 3. Decaimento induzido do electrão de nivel E y para Ex
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Física e Tecnologia do laser
Onde n1 e n2 é a densidade de átomos nos estados 1 e 2 u ph é densidade de energia no campo externo.A integração da equação de emissão espontânea obtemos a informação sobre a variação desta emissão com o tempo dado por:
(4) A21, B12 e B21 são os coeficientes de Einstein que representam a probabilidade de transição em cada processo. Neste estado, o tempo que passa para que o número de átomos reduza para 1/e , isto é, tempo de vida. Para as transições ópticas normais, o seu valor está entre 10 -8 e 10-9. No equilíbrio térmico, a densidade atómica é distribuída de acordo com a estatística de Boltzmann, que é dada pela equação:
(5) 2.2.2 Funcionamento do Laser
Para que a maioria dos lasers possa operar, devem ser satisfeitas três condições fundamentais, isto é, três elementos são simultaneamente necessários: um meio ativo, o bombeamento e a presença de uma cavidade ressonante como mostra a figura abaixo;
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Física e Tecnologia do laser
2.2.2.1 O meio activo É base atômica ou molecular do sistema, sistema, é um meio que possui níveis de energia excitáveis e capaz de armazenar a energia recebida do exterior. Este meio activo pode se apresentar em forma sólida, líquida ou gasosa. Nos lasers com meio activo sólido ocorre a excitação dos átomos introduzidos em uma matriz hospedeira sólida de cristal ou de vidro.
2.2.2.1 Bombagem O mecanismo de bombeamento funciona por meio de uma fonte externa de energia responsável pelo fornecimento de energia ao meio ativo. Pode ser uma lâmpada flash ou até outro laser (bombeamento óptico); podem ser descargas elétricas (bombeamento eletrônico); reações químicas (bombeamento químico); e partículas pesadas ou radiações ionizantes ou térmicas. O processo de bombeamento pode ser exempliñcado mais detalhadamente através da figura 5. Este diagrama apresenta um sistema atômico com três níveis de energia A, B e C. Os níveis A e B estão bem próximos em relação a sua energia, apresentando, inicialmente, os átomos distribuídos de forma similar entre estas duas camadas. Os átomos do nível A, ao receber uma excitação através de um feixe de luz (que contém fótons de uma determinada freqüência), vão absorver energia e popular o nível C, de maior energia. Permanecem neste nível por um período muito curto de tempo (da ordem de 10'^s), perdendo então energia, o que leva ao seu decaimento
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Física e Tecnologia do laser
Fig. 5 Diagrama dos níveis energéticos dos átomos durante o processo de bombeamento.
2.2.2.3 cavidade óptica ou ressonador A cavidade de Pérot-Fabry pode apresentar algumas variantes com relação aoesquema inicial: no caso de um laser de estado sólido, os espelhos podem ser as faces terminais do cilindro de material activo. A cavidade óptica diz-se ressonante quando a distância entre espelhos L for um múltiplo inteiro m de meio comprimento de onda. As extremidades são perfeitamente refletoras onde as ondas estacionarias, que se propagam com a frequência dada como: ʋ=
(6)
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Considere-se a intensidade I de uma fonte de luz (lâmpada de flash) usada para bombear energia para o meio laser, a intensidade suficiente para se alcançar inversão da população, N 2 > N 1; 1; Depende do sistema de níveis energéticos do meio laser . Através de multiplas reflexões entre os espelhos, essa radiação amplifica-se por emissão estimulada a cada passagem no meio ativo. Como mostra a figura abaixo:
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Uma fração do campo atravessa o espelho semi-transparente para constituir o feixe laser, enquanto a fração refletida realiza o trajecto inverso, aumentando a intensidade da cavidade (regeneração da radiação) Desta forma o ressonador, alémde ter a função de garantir esta regeneração, também é responsável em filtrar umaou várias freqüências de oscilação desse campo no interior da banda de emissão dos átomos ativos (exemplo: escolha de uma das linhas de emissão do laser).
2.2.4 Características do Feixe Laser O feixe luminoso emitido por um processo estimulado possui características particulares. Todos os fotões emitidos apresentam o mesmo nível de energia, com variações mínimas. Portanto, todos os feixes que compõem a luz têm o mesmo comprimento de onda, ou seja, a luz resultante é monocromática. Além disso, o fotão emitido move-se paralelamente aos fotões que provocaram a emissão estimulada devido à lei da conservação do momento. O feixe é emitido em uma só direção ao
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Fig.8 cristal alexandrita.
3.1 propriedades fisicas do cristal c ristal alexandrite Tabela1.
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4.1 Caracteristicas ou propriedades do laser de alexandrite Referência : O laser de alexandrite tem de comprimento de Onda 755nm (próximo à
luz infravermelha do espectro); Modelo : Q-switched, 50-100µs Long pulsed, 10-50ms; Lasers Q-switched produzem
pulsos muito curtos com um poder muito alta de pico.
Indicações : Pigmentação epidérmica, dérmica, principalmente pigmentos azul, preto,
verde e cinza, nevus de Ota e Remoção de pêlos(quando trabalhando em ms, long pulsed).
4.2 sistema de níveis Geralmente o laser de alexandrite usa um sistema de três niveis como meio actívo, neste sistema a transição responsável pela irradiação do laser ocorre entre o estado
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4.3 Princípios de funcionamento Como qualquer laser, o laser alexandrite Para que possa funcionar, devem ser satisfeitas, simultaneamente, três condições fundamentais. Em primeiro lugar, é necessário dispor de um meio activo, ou seja, de uma colecção de átomos, moléculas ou iões que emitam radiação na parte "óptica" do espectro.
Fig.10 Mecanismo de funcionamento do laser
Em segundo lugar, deve ser satisfeito uma condição conhecida sob o nome de inversão de população. Finalmente, é indispensável dispor de uma reacção óptica para
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A taxa de repetição está ligada à capacidade do meio amplificador de retomar ao equilíbrio térmico entre dois pulsos e a potência média é dada pela equação [7]: Pm = Ef
(7)
Onde: Pm = potência média E = energia f = freqüência de repetição de pulsos A técnica de chaveamento Q, também chamado de Q-Switching, permite produzir oscilações laser muito intensas (milhões de watts ou maiores) e muito rápidas (da ordem de nanosegundos), dando origem à pulsos gigantes.
4.4 construnção do laser laser de alexandrite alexandrite De facto, na construção de um laser, é necessário existir um mecanismo que bombeie electrões que se encontram no estado fundamental para um estado excitado,
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5. APLICAÇÕES O laser alexandrite foi concebido exclusivamente para fins medicinais, como por exemplo: - retirada de tatuagens multicolridas, sem destruir a epidérmica do tecido, o que tornase uma vantagem em relação a outros laseres com mesma acção. - tratamento de tumores benignos vasculares infantis e varizes no corpo,visto que tem a característica de penetrar mais profundamente na pele (3 a 5 mm) - Ruby (3mm),
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6 considerações finais Nesta revisão bibliográfica foi feita uma revisão do princípio básico de um laser e os processos envolvidos numa emissão laser. Conduzui-se a explaonação com a finalidade de descrever o laser alexandrite, o que foi demostrado e ainda salientar que o laser alexandrite por ser um laser de meio activo do estado sólido funcionando no regime de pulsos apresenta por isso alta potencia e concentra grande quantidade de energia em pequenas pequenas áreas Resultando em altas temperaturas localizadas, que são atravez de tecnicas electronicas para o laser alexandrite confinadas. Alguns lasers
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Física e Tecnologia do laser
5 BIBLIOGRAFIA 5.1 Artigos Ciêntificos 1.
Trindade, Nelo Marcos.(2009). Investigação das Pripriedades ópticas e eléctricas em Alexandrite Natural e Sintéctica.
Impressão académica. Universidade Estadual
Paulista.Bauru-Brasil. 2.
Celso
Manuel
Figueiredo
Paiva
João .(2009).
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