O que é Lazer?

Desde que os Estados Unidos desenvolveram com sucesso o primeiro laser de rubi do mundo em 1960 e a China também desenvolveu com sucesso o primeiro laser de rubi doméstico (nascido em Changchun Institute of Optics e máquinas de precisão, Academia Chinesa de Ciências) em 1961, a tecnologia laser é considerada a segunda no século 20, seguindo a física quântica, tecnologia de rádio, tecnologia de energia atômica, tecnologia de semicondutores. Outra grande conquista científica e tecnológica após a tecnologia da computação.

Hoje, temos lasers para CD e DVD players em nossas casas, impressoras a laser em nossos escritórios e scanners de código de barras em shoppings. ou não, cada um de nós usa laser todos os dias, mas quantas pessoas realmente entendem o que é o laser e como ele funciona?

O laser é um tipo de luz que não existe na natureza e é emitida devido à excitação. Tem as características de boa diretividade, alto brilho, boa monocromaticidade e boa coerência.

O mecanismo de geração do laser pode ser rastreado até a hipótese apresentada por Einstein ao explicar a lei da radiação do corpo negro em 1917, ou seja, a absorção e a emissão da luz podem passar por três processos básicos: absorção estimulada, radiação estimulada e emissão espontânea. Como todos sabemos, a luminescência de qualquer tipo de fonte de luz está relacionada ao estado de movimento das partículas na matéria. está excitado para fazer a transição para o nível de alta energia correspondente (absorção estimulada), ele sempre tenta fazer a transição para um nível de energia mais baixo e liberar o excesso de energia na forma de fótons.

Se a luz é liberada espontaneamente sem a ação de fótons externos (emissão espontânea), a luz liberada é a luz comum (como luzes elétricas, luzes de néon, etc.), que se caracteriza pela inconsistência de frequência, direção e ritmo da luz.

No entanto, se o excesso de energia é liberado na forma de fótons (radiação estimulada) durante a transição do nível de alta energia para o nível de baixa energia sob a ação direta de fótons externos, os fótons liberados são completamente consistentes com os fótons incidentes externos em termos de frequência, fase e direção de propagação, o que significa que a luz externa foi reforçada, o que é chamado de amplificação de luz.

Figura: mecanismo de geração de laser: (esquerda) absorção estimulada, (meio) emissão espontânea, (direita) emissão estimulada

A geração de laser precisa atender a três condições: inversão do número de partículas, feedback da cavidade e atendimento da condição de limiar. Também é necessário fazer superfícies de reflexão paralelas que possam refletir fótons em ambas as extremidades da região ativa para formar uma cavidade ressonante, e fazer com que o ganho seja maior que a perda, ou seja, o número de fótons recém-gerados ao mesmo tempo é maior do que o número de fótons dispersos absorvidos. Somente quando essas três condições são atendidas, o laser pode ser produzido.

Características do lazer

O laser é conhecido como luz mágica porque possui quatro características que a luz comum não possui.

——Fontes de luz comuns (sol, lâmpada incandescente ou lâmpada fluorescente) emitem luz em todas as direções, e a direção luminosa do laser pode ser limitada a um ângulo sólido de menos de alguns miliradianos, o que aumenta a iluminação na direção de irradiação em dez milhões de vezes. O diâmetro de difusão do laser é inferior a 1 metro a cada 200 quilômetros, se atingir 3,8 de distância da Terra × Quando a lua está a 105 km de distância, o feixe de luz se espalha menos de 2 km, enquanto o holofote comum se espalha dezenas de metros milhares de metros de distância.

1.Boa diretividade

Colimação a laser, orientação e alcance usam a característica de boa diretividade.

——Laser é a fonte de luz mais brilhante nos tempos modernos. Apenas o flash forte no momento da explosão da bomba de hidrogênio pode ser comparado com ele. o da luz do sol.

2.Alto brilho

Embora a energia total do laser não seja necessariamente grande, devido à alta concentração de energia, é fácil produzir alta pressão e alta temperatura de dezenas de milhares de graus Celsius ou até milhões de graus Celsius em um ponto micro. como perfuração a laser, corte, soldagem e cirurgia a laser fazem uso desta característica.

——A luz é uma onda eletromagnética.A cor da luz depende de seu comprimento de onda.A luz emitida por fontes de luz comuns geralmente contém vários comprimentos de onda, que é uma mistura de várias cores.A luz solar inclui luz visível em sete cores: vermelho, amarelo, verde , verde, azul e roxo, bem como luz invisível, como luz infravermelha e luz ultravioleta.

3.Boa monocromaticidade

O comprimento de onda de um laser é concentrado apenas em uma faixa espectral ou faixa de frequência muito estreita. um meio muito favorável para instrumento de precisão para medir e estimular alguns experimentos científicos, como reações químicas.

——A interferência é um atributo do fenômeno ondulatório. Com base nas características de alta diretividade e alta monocromaticidade, o laser é obrigado a ser uma luz com excelente coerência. Essa característica do laser torna a holografia uma realidade.

4.Boa coerência

Tipo de lazer

Na fonte de luz, a realização da inversão do número de partículas do nível de energia é a premissa da amplificação da luz, ou seja, o pré-requisito da geração do laser. o número de partículas no nível de baixa energia salta para o nível de alta energia. Este processo é chamado de “excitação”.

O laser que costumamos chamar é um dispositivo que excita as partículas na fonte de luz para produzir a transição da radiação estimulada, realiza a inversão do número de partículas e, em seguida, gera a amplificação da luz através da radiação estimulada. obter lasers através de excitação e radiação estimulada. Portanto, o laser é geralmente composto de três partes: o meio de ativação (ou seja, o material de trabalho que pode produzir a inversão do número de partículas após ser excitado), o dispositivo de excitação (ou seja, a energia que pode fazer a partícula inversão numérica do meio de ativação, a fonte da bomba) e o ressonador óptico (ou seja, os dois espelhos planos que podem fazer o feixe oscilar repetidamente e amplificar muitas vezes).

Figura: princípio de funcionamento do laser

Como podemos excitar muitos tipos diferentes de átomos de muitas maneiras diferentes, podemos (teoricamente) fazer muitos tipos diferentes de lasers.

Existem muitos tipos de lasers, entre os quais os mais famosos são sólidos, gás, corantes líquidos, semicondutores e lasers de fibra. seus átomos energéticos. geralmente pulsos muito curtos. Em contraste, os lasers de gás usam gás inerte (os chamados excimer lasers) ou dióxido de carbono (CO2) como meio para produzir luz brilhante contínua. O laser de CO2 tem uma função poderosa e alta eficiência. É frequentemente usado em corte e soldagem industrial. Os lasers de corante líquido usam a solução de moléculas de corante orgânico como meio. A principal vantagem é que eles podem ser usados para produzir uma banda de frequência óptica mais ampla do que os lasers de estado sólido e de gás, e podem até ser “sintonizados” para produzir diferentes frequências.

De acordo com o comprimento de onda, a faixa de comprimento de onda coberta inclui infravermelho distante, infravermelho, luz visível, ultravioleta e ultravioleta distante. Recentemente, lasers de raios X e aparelhos de raios X;

De acordo com diferentes modos de excitação, há excitação de luz (fonte de luz ou excitação ultravioleta), excitação de descarga de gás, excitação de reação química, excitação de reação nuclear, etc;

De acordo com diferentes modos de saída, existem pulsos contínuos, únicos, contínuos e ultracurtos, etc;

Em termos de potência de saída, a potência de saída contínua é tão pequena quanto o nível de micro watt e até o nível de megawatt. mesmo femtosegundo (1/1000 trilhão).

Vários lasers atendem a diferentes requisitos de aplicação. Por exemplo, o processamento a laser e alguns lasers militares requerem laser de alta potência ou laser de alta energia (o chamado laser de alta potência). Alguns esperam encurtar o tempo de pulso tanto quanto possível para se envolver na pesquisa de alguns processos expressos. Alguns também apresentam altos requisitos para melhorar a monocromaticidade da luz, melhorar o modo de saída da luz, melhorar a distribuição da intensidade da luz de ponto de luz e exigindo comprimento de onda ajustável. Esses requisitos incitam os pesquisadores de laser a continuar a explorar, de modo que a profundidade de exploração e a amplitude de aplicação do laser tenham sido desenvolvidas sem precedentes.

Aplicações de laser em expansão

A chamada tecnologia laser é o nome geral de explorar e desenvolver vários métodos de geração de laser e explorar e aplicar essas características do laser em benefício da humanidade.

50Ao longo dos anos, a tecnologia e as aplicações a laser se desenvolveram rapidamente e foram combinadas com muitas disciplinas para formar vários campos de tecnologia de aplicação, como tecnologia fotoelétrica, medicina a laser e biologia de fótons, tecnologia de processamento a laser, tecnologia de detecção e medição a laser, tecnologia holográfica, tecnologia de análise espectral a laser, óptica não linear, ciência de laser ultrarrápido, química de laser, óptica quântica, lidar, orientação a laser, separação de isótopos a laser, fusão nuclear controlada por laser, armas a laser, etc. O surgimento dessas tecnologias cruzadas e novas disciplinas tem promoveu grandemente o desenvolvimento de indústrias tradicionais e emergentes.

1.Aplicação de laser no campo de informação

Laser semicondutor e amplificador de fibra são duas tecnologias-chave de comunicação de fibra óptica.

O laser emitido pelo laser semicondutor não só tem boa monocromaticidade e coerência, mas também a frequência da onda de luz é 10.000 vezes maior que a frequência de micro-ondas. Portanto, a comunicação de fibra óptica com laser como portador de transmissão de informações e fibra óptica como linha de transmissão de informações tem não apenas boa qualidade de comunicação, forte capacidade anti-interferência e boa confidencialidade, mas também a capacidade de comunicação é 10.000 vezes maior que a de comunicação por micro-ondas.

O uso da tecnologia laser para armazenamento óptico revolucionou o armazenamento de informações. de um disco compacto.

Imagem: laser e lente de um disco em um CD ou DVD player. O pequeno círculo no canto inferior direito é um diodo laser semicondutor, enquanto o círculo azul maior é uma lente que lê a luz depois que o laser é refletido na superfície lisa do disco ótico.

Além disso, impressora a laser, máquina de fax a laser, fotocomposição a laser, TV a cores de tela grande a laser, TV a cabo de fibra óptica e comunicação a laser atmosférica têm sido amplamente utilizadas.

2.Aplicação de laser em holografia

Como fenômeno ondulatório, a luz é caracterizada pelo comprimento de onda (relacionado à cor), amplitude (relacionada à intensidade da luz) e fase (representando a relação entre o ponto inicial da onda e o tempo de referência).

As pessoas só podem registrar o comprimento de onda e a amplitude usando o método de fotografia fotossensível, portanto, não importa o quão realista seja, olhar para a imagem é sempre diferente de olhar para a cena real.

O laser tem alta coerência e pode obter todas as informações do espaço da onda de interferência, incluindo a fase. reproduzidos por difração de luz.

O holograma tem as características da imagem tridimensional e pode ser gravado repetidamente, e cada pequeno negativo holográfico pode reproduzir a imagem tridimensional completa do objeto. Pode ser amplamente utilizado em pesquisas científicas, como interferometria de precisão, testes não destrutivos, fotoelasticidade holográfica, análise de micro deformação e análise de vibração.

Entre eles, a interferometria holográfica tem sido amplamente utilizada para estudar o processo de combustão do gás, o modo de vibração de peças mecânicas, a qualidade de colagem da estrutura alveolar e a inspeção de defeitos subcutâneos de pneus de automóveis. marca de falsificação para commodities e cartões de crédito formou uma indústria. Fotografar obras de arte preciosas com holografia não apenas faz com que as pessoas se sintam no local, mas também fornece uma base confiável e realista para o reparo de obras de arte. A TV holográfica em desenvolvimento também adicionará um novo prazer à vida das pessoas.

3.Aplicação do laser na área médica

A aplicação do laser na medicina é dividida em duas categorias: diagnóstico a laser e terapia a laser. O primeiro toma o laser como portador de informação e o último toma o laser como portador de energia.

No aspecto do diagnóstico a laser, o laser pode penetrar profundamente no tecido para diagnóstico, refletir diretamente a condição do tecido e fornecer uma base suficiente para o diagnóstico dos médicos.

Na terapia a laser, a tecnologia a laser tornou-se um meio eficaz de tratamento clínico e uma tecnologia chave para o desenvolvimento do diagnóstico médico. Atualmente, os campos de aplicação clínica do laser incluem correção de miopia, reparo de retina, reparo de cárie dentária, cirurgia molecular minimamente invasiva, etc. Atualmente, a excelente pesquisa de aplicação da medicina a laser se reflete principalmente nos seguintes aspectos: Terapia fotodinâmica para câncer; Tratamento a laser de doenças cardiovasculares; Ceratoplastia a laser excimer; Cosmetologia a laser; Endoscopia com fibra a laser; Cirurgia laparoscópica a laser; Cirurgia toracoscópica a laser; Cirurgia artroscópica a laser; Litotripsia a laser; Cirurgia a laser; Aplicação de laser em anastomose; Aplicação de laser em cirurgia oral e maxilofacial e odontologia; terapia a laser fraca, etc. Atualmente, a terapia a laser tem mantido um sus mantido e forte impulso de desenvolvimento em muitos aspectos, como pesquisa básica, desenvolvimento de novas tecnologias, desenvolvimento de novos equipamentos e produção.

Figura: aplicação do laser em estomatologia

4.processamento a laser

Usando a alta intensidade (brilho) do laser, o foco Raio Laser pode emitir 100J de energia luminosa em 1 ms, o que é suficiente para derreter ou vaporizar o material em pouco tempo, de modo a processar os materiais com diferentes características de difícil processamento, como soldagem, furação, corte, tratamento térmico, litografia , etc

O processamento a laser tem as vantagens de alta precisão, pequena distorção, sem contato e economia de energia. Seus campos de aplicação podem cobrir quase toda a indústria de fabricação de máquinas, incluindo máquinas de mineração, indústria petroquímica, energia elétrica, ferrovia, automóvel, construção naval, metalurgia, equipamentos médicos, aviação, máquinas-ferramenta, geração de energia, impressão, embalagem, molde, farmacêutica e outros indústrias.O desgaste e a corrosão de peças-chave e equipamentos de precisão podem ser reparados e otimizados pela tecnologia de revestimento a laser, que se tornou uma ferramenta poderosa para transformar a corrupção em mágica.

5. medição de precisão

A medição de precisão faz uso das características de boa monocromaticidade do laser, forte coerência e boa diretividade. O telêmetro envia pulso óptico, que é refletido pelo alvo medido e, em seguida, retorna ao sistema receptor para medir o intervalo de tempo entre a transmissão e a recepção.

O laser possui alto brilho e alta coerência, o que faz com que o efeito Doppler da luz possa ser aplicado na medição de velocidade.Lidar é um sistema de radar que emite feixe de laser para detectar a posição, velocidade e outras características do alvo.Em termos de princípio de funcionamento , não há diferença fundamental entre o LIDAR e o radar de microondas: transmita o sinal de detecção (feixe de laser) para o alvo e, em seguida, compare o sinal recebido refletido do alvo (eco do alvo) com o sinal transmitido. Após o processamento adequado, as informações relevantes do alvo podem ser obtidas, como distância do alvo, azimute, altitude, velocidade, atitudeEven forma e outros parâmetros, de modo a detectar, rastrear e identificar aeronaves, mísseis e outros alvos. Desempenha um papel importante no campo militar e tornou-se uma arma poderosa para o monitoramento ambiental.

Além disso, a detecção de onda gravitacional também utiliza a interferometria a laser para detectar diretamente a onda gravitacional na banda de média e baixa frequência, e observar a radiação da onda gravitacional gerada pela fusão de buracos negros duplos e corpos celestes com razão de massa máxima, bem como como outros processos de radiação de ondas gravitacionais cósmicas.

O laser é uma das invenções mais importantes da humanidade no século 20. A aplicação de tecnologia laser foi amplamente penetrado em todos os aspectos da indústria, agricultura, militar, medicina e até mesmo a sociedade. Está desempenhando um papel cada vez mais importante no progresso da sociedade humana e está mudando milagrosamente nosso mundo.