A estrutura básica do laser está ilustrada na Figura 1 e consiste nos seguintes componentes:
1) Meio ativo a laser
A produção de luz laser requer um meio ativo adequado, que pode ser gás, líquido, sólido ou semicondutor. Neste meio, a inversão populacional pode ser alcançada para criar as condições necessárias para a geração de luz laser. A existência de níveis de energia metaestáveis facilita muito a inversão populacional.
Existem quase mil tipos de meios ativos disponíveis, capazes de produzir comprimentos de onda de laser que vão do ultravioleta ao infravermelho distante, cobrindo um amplo espectro.
Como coração do laser, o meio ativo consiste em partículas ativadoras (normalmente metais) e uma matriz. A estrutura do nível de energia das partículas ativadoras determina as características espectrais e a vida útil da fluorescência do laser, enquanto a matriz determina principalmente as propriedades físicas e químicas do meio ativo.
Os lasers podem ser divididos em sistemas de três níveis (como lasers de rubi) e sistemas de quatro níveis (como lasers Nd:YAG) com base na estrutura do nível de energia das partículas ativadoras. As formas comumente usadas para o meio ativo são cilíndricas (mais amplamente utilizadas), planas, em disco e tubulares.
2) Fonte de bombeamento externa
Para conseguir a inversão populacional no meio ativo, os átomos devem ser excitados de uma certa maneira para aumentar o número de partículas em níveis de energia mais elevados. A saída contínua do laser requer “bombeamento” constante para manter uma população maior de partículas no nível de energia superior do que no nível inferior, portanto, a fonte de bombeamento externa também é chamada de fonte de bombeamento.
A fonte de bombeamento fornece energia para reverter a população entre os níveis de energia alto e baixo, sendo o bombeamento óptico o principal método utilizado atualmente. A fonte da bomba deve atender a duas condições básicas: deve ter alta eficiência luminosa e suas características espectrais devem corresponder ao espectro de absorção do meio ativo. Fontes comuns de bombas incluem lâmpadas de descarga de gás inerte, energia solar e lasers de diodo.
As lâmpadas de descarga de gás inerte são as fontes de bomba mais comumente usadas. O bombeamento de energia solar é frequentemente usado para dispositivos de baixa potência, especialmente pequenos lasers em aplicações espaciais que podem usar a energia solar como fonte de energia permanente. O bombeamento de diodo representa a direção futura dos lasers de estado sólido, combinando muitas vantagens e tornando-se um dos lasers de desenvolvimento mais rápido.
Os métodos de bombeamento de diodo podem ser divididos em dois tipos: bombeamento transversal (bombeamento frontal com incidência coaxial) e bombeamento longitudinal (bombeamento lateral com incidência vertical).
Os lasers de estado sólido bombeados por diodo têm inúmeras vantagens, incluindo longa vida útil, boa estabilidade de frequência e distorção óptica térmica mínima, sendo a vantagem mais proeminente a alta eficiência de bombeamento devido à correspondência precisa entre o comprimento de onda da luz da bomba e o espectro de absorção do meio ativo.
3) Cavidade de Focagem
A cavidade de focagem tem duas funções: acopla efetivamente a fonte da bomba com o meio ativo e determina a distribuição da densidade da luz da bomba no meio ativo, afetando assim a uniformidade, divergência e distorção óptica do feixe de saída.
Como tanto o meio ativo quanto a fonte da bomba estão instalados dentro da cavidade de focagem, sua qualidade impacta diretamente a eficiência e o desempenho da bomba. As cavidades de foco do cilindro elíptico são mais comumente usadas em pequenos lasers de estado sólido.
4) Ressonador Óptico
O ressonador óptico é essencialmente dois espelhos altamente reflexivos colocados frente a frente nas extremidades do laser. Um espelho é totalmente reflexivo enquanto o outro é parcialmente reflexivo, permitindo que a maior parte da luz seja refletida de volta enquanto uma pequena quantidade é transmitida, produzindo luz laser. A luz refletida de volta ao meio ativo continua a induzir novas emissões estimuladas, amplificando a luz.
A luz oscila para frente e para trás dentro do ressonador, causando uma reação em cadeia e uma amplificação semelhante a uma avalanche, resultando na emissão de luz laser intensa pela extremidade do espelho parcialmente reflexiva.
O ressonador óptico não apenas fornece feedback óptico para sustentar a oscilação contínua do laser e a emissão estimulada, mas também restringe a direção e a frequência do feixe de luz oscilante para garantir a alta monocromaticidade e alta diretividade do laser de saída. O ressonador óptico mais simples e mais comumente usado para lasers de estado sólido consiste em dois espelhos planos (ou esféricos) voltados um para o outro.
(5) Sistemas de resfriamento e filtragem
Os sistemas de refrigeração e filtragem são dispositivos auxiliares indispensáveis para um laser. Os lasers geram calor significativo durante a operação, necessitando assim de medidas de resfriamento. O sistema de resfriamento resfria principalmente o meio ativo do laser, a fonte de bombeamento e a cavidade de foco para garantir a operação normal do laser e proteger o equipamento.
Os métodos de resfriamento incluem líquido, gás e condução, sendo o resfriamento líquido o mais amplamente utilizado. Além disso, para obter um feixe de laser com alta monocromaticidade, é necessário filtrar a saída. O sistema de filtragem pode remover a maior parte da luz da bomba e outras luzes interferentes, resultando em um feixe de laser de saída de alta qualidade monocromática.
Tomemos o laser de rubi como exemplo para explicar o princípio de funcionamento de um laser. O meio ativo é uma vareta de rubi. Ruby é um cristal de óxido de alumínio dopado com uma pequena quantidade de íons trivalentes de cromo, normalmente uma proporção de massa de óxido de cromo de cerca de 0,05%. Como os íons de cromo absorvem a luz verde e azul da luz branca, a gema parece rosa.
O rubi usado por Maiman no primeiro laser inventado em 1960 era uma haste cilíndrica com diâmetro de 0,8 cm e comprimento de cerca de 8 cm. Suas extremidades são um par de espelhos planos paralelos, um revestido com uma película totalmente reflexiva e outro com taxa de transmissão de 10%, permitindo a passagem do laser.
No laser de rubi, uma lâmpada de xenônio de alta pressão é usada como “bomba” para excitar íons de cromo até o estado excitado E.3. Elétrons bombeados para E3 transição rápida (em cerca de 10-8 segundos) para E2 sem radiação. E2 é um nível de energia metaestável onde a probabilidade de emissão espontânea para E1 é muito baixo, com uma vida útil de até 10-3 segundos, permitindo que as partículas permaneçam por um período prolongado.
Consequentemente, as partículas se acumulam em E2alcançando uma inversão populacional entre os níveis de energia E2 e E1. A emissão estimulada de luz de E2 dedo do pé1 é um laser vermelho com comprimento de onda de 694,3 nm. O laser pulsado obtido a partir da lâmpada de xenônio pulsada dura menos de 1 ms por pulso de luz, sendo que a energia de cada pulso excede 10 J e a potência de cada laser pulsado é capaz de exceder 10 kW.
O processo de excitação dos íons de cromo e emissão de luz laser envolve três níveis de energia, por isso é chamado de sistema de três níveis. Num sistema de três níveis, uma vez que o nível de energia inferior E1 é o estado fundamental e normalmente acumula um grande número de átomos, alcançar a inversão populacional requer uma quantidade substancial de excitação.
