Uma fonte de luz típica emite luz que irradia em todas as direções e diminui com o aumento da distância. Esta atenuação ocorre principalmente porque a luz de tais fontes é o resultado de uma infinidade de moléculas ou átomos dentro da fonte emitindo fótons independentemente durante a radiação espontânea. Em contraste, os lasers amplificam os fótons incidentes através da emissão estimulada.
Devido aos diferentes mecanismos por trás da geração do laser em comparação com fontes de luz comuns, os lasers exibem características únicas não compartilhadas com a luz convencional, que geralmente podem ser resumidas em quatro aspectos: direcionalidade, monocromaticidade, coerência e alta intensidade.
Direcionalidade dos Lasers
Os lasers emitem luz através de radiação estimulada; cada fóton mantém a mesma frequência, fase e estado de polarização da luz incidente, tudo sob o controle de um ressonador óptico. Este controle permite que o feixe de laser se propague estritamente ao longo do eixo do ressonador com um ângulo de divergência muito pequeno, aproximando-se do da luz paralela.
A alta direcionalidade dos lasers é determinada pelo mecanismo de emissão estimulada e pela influência restritiva do ressonador óptico na direção do feixe de luz oscilante. Dados precisos mostraram que um feixe de laser emitido da Terra para a Lua, numa distância que cobre aproximadamente 380.000 quilómetros, resulta num ponto de feixe na Lua com menos de 1.000 metros de diâmetro.
Essa excelente direcionalidade levou ao uso generalizado de lasers em alcance, comunicação e posicionamento. A alta direcionalidade dos lasers permite a transmissão eficaz em longas distâncias e o foco em densidades de potência muito altas, sendo que ambos são cruciais para o processamento a laser.
Monocromaticidade de Lasers
A cor da luz é determinada pelo seu comprimento de onda. A largura entre os dois comprimentos de onda nos quais a intensidade é metade do máximo é normalmente definida como a largura da linha espectral. Quanto mais estreita for a largura da linha espectral, melhor será a monocromaticidade da luz. A luz visível consiste em sete cores, cada uma com uma largura de linha espectral de 40 a 50 nanômetros.
A monocromaticidade dos lasers excede em muito a das fontes de luz comuns. Por exemplo, a largura da linha espectral da luz laser vermelha emitida por um laser de hélio-néon é de apenas 10-8 nanômetros, que é significativamente mais monocromático do que uma lâmpada de criptônio. Alguns lasers especiais apresentam monocromaticidade ainda maior.
A monocromaticidade extremamente elevada dos lasers praticamente elimina a dispersão cromática (a variação do índice de refração com o comprimento de onda) das lentes de focagem, permitindo que o feixe de luz seja focado com precisão no ponto focal, alcançando uma alta densidade de potência. A excelente monocromaticidade dos lasers fornece uma ferramenta vantajosa para medições de instrumentos de precisão e para estimular certas reações químicas em experimentos científicos.
Coerência de Lasers
A coerência descreve principalmente as relações de fase entre as diferentes partes de uma onda de luz, abrangendo dois aspectos: coerência temporal e coerência espacial. Para lasers, a distribuição espacial do campo de luz é normalmente decomposta em uma distribuição ao longo da direção de propagação (eixo da cavidade). E(z) e uma distribuição na seção transversal perpendicular à direção de propagação E(x, y).
Assim, os modos de cavidade do laser podem ser divididos em modos longitudinais e transversais, representando as distribuições do campo de luz longitudinal e transversal dos modos de cavidade, respectivamente.
(1) Coerência Temporal
A coerência temporal de um laser refere-se às relações de fase entre pontos ao longo da direção de propagação do feixe. Em aplicações práticas, o tempo de coerência é frequentemente usado para descrever a coerência temporal de um laser. Quanto mais estreita for a largura da linha espectral, ou seja, quanto maior for a monocromaticidade, maior será o tempo de coerência.
Lasers de gás de frequência estabilizada monomodo têm a melhor monocromaticidade, normalmente atingindo 106 para 1013 Hz; os lasers de estado sólido apresentam monocromaticidade mais pobre, principalmente porque sua curva de ganho é ampla, dificultando a operação em modo longitudinal único; lasers semicondutores têm a pior monocromaticidade.
A operação monomodo (tecnologia de seleção de modo) e a estabilização de frequência são cruciais para aumentar a coerência. Um laser de modo transversal único estabilizado em frequência emite luz próxima a uma onda plana monocromática ideal, ou seja, totalmente coerente.
(2) Coerência Espacial
A coerência espacial de um laser é a relação de fase entre pontos em um plano perpendicular à direção de propagação do feixe. Refere-se à escala na qual a luz emitida pelo feixe pode convergir em um ponto no espaço para formar padrões de interferência, e a coerência espacial está relacionada ao tamanho da fonte de luz.
Uma onda plana ideal é totalmente coerente espacialmente e tem um ângulo de divergência zero. Contudo, na prática, devido aos efeitos de difração, o menor ângulo de emissão do feixe alcançável por um laser não pode ser inferior ao ângulo limite de difração ao passar pela abertura de saída.
Para melhorar a coerência espacial de um laser, é essencial primeiro restringir o laser para operar num único modo transversal; segundo, selecionar adequadamente o tipo de cavidade óptica e aumentar o comprimento da cavidade para melhorar a diretividade do feixe. Além disso, falta de homogeneidade no meio ativo, erros na usinagem e ajuste da cavidade e outros fatores também podem degradar a diretividade do feixe.
Alta Intensidade de Lasers
Devido à excelente diretividade dos feixes de laser, a energia emitida é confinada dentro de um ângulo sólido muito estreito e a energia é concentrada dentro de uma estreita largura de linha espectral. Isto aumenta significativamente o brilho espectral dos lasers em comparação com fontes de luz convencionais. Em lasers pulsados, onde a emissão de energia é ainda mais comprimida em um intervalo de tempo muito curto, o brilho espectral pode ser ainda mais aumentado.
Atualmente, aumentar a potência e a eficiência de saída é uma direção importante no desenvolvimento do laser. Lasers de gás, como CO2pode produzir a maior potência contínua, enquanto os lasers de estado sólido podem produzir a maior potência de pulso.
Especialmente com o uso de técnicas de modulação de cavidade óptica e amplificadores de laser, o tempo de oscilação do laser pode ser comprimido para valores muito pequenos (da ordem de 10).-9 segundos), e a energia de saída pode ser amplificada, resultando em potência de pulso extremamente alta. Com técnicas de bloqueio de modo e compressão de largura de pulso, as larguras de pulso do laser podem ser ainda mais comprimidas para 10-15 segundos.
Mais importante ainda, a potência (energia) do laser pode ser concentrada em um único (ou poucos) modos, alcançando assim um grau muito alto de degeneração de fótons. Quando um feixe de laser é focado através de uma lente, pode gerar temperaturas de vários milhares, até mesmo dezenas de milhares de graus Celsius, perto do ponto focal, permitindo o processamento de todos os materiais.
Por exemplo, CO de alta potência2 máquinas de corte a laser comumente usadas na indústria adotam distâncias focais de 127 a 190 mm, com diâmetros de ponto focal variando de 0,1 a 0,4 mm, e sua densidade de energia pode chegar a 10 W/cm2.
