laser de alexandrite-funcionamento

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

Física e Tecnologia do laser

ii

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


iii

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 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.


1

!. 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.


2

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 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.


3

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 Ey para Ex


4

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 Ey 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 Ey para Ex

A quantidade de átomos em cada processo é dado por:

(1)

(2)

(3)


5

Onde n1 e n2 é a densidade de átomos nos estados 1 e 2 uph 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;

Fig.4 representação esquematica de uma fonte laser


6

2.2.2.1 O meio activo

É base atômica ou molecular do 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

para o nível B, onde não será excitado novamente. Se alguns átomos retomarem ao

nivel A, serão novamente levados à C, decaindo posteriormente para o nivel B. Com o

tempo, os elétrons povoam todo o nivel de energia B e sofrem um decaimento

simultaneo para A, isto é, se desexcitando através de uma transferência de energia

radioativa.


7

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)

2.2.3 inversão populacional e amplificação da luz

Para se obter a amplificação da luz em um laser é necessário que o número de

fotões produzidos pela emissão estimulada exceda o número perdido pela absorção.

Portanto um sistema de quatro niveis normalmente antige uma inversão populacional

(fig.6) com menor gasto de energia de bombardeamento.

Condição de inversão: Bombagem do meio laser


8

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, N2 > N1; 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:

Fig.7 (a) meio ativo; (b) bombeamento do meio ativo; (c) fótons emitidos poremissão espontânea; (d)

amplificação dos fótons emitidos na direção do eixo; (e) parte dos fótons são emitidos na forma de um feixe

laser deixam o ressonador.


9

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

invés de se espalhar, resultando em luz altamente colimada. Finalmente todos os

fotões têm a mesma freqüência, mesma fase e mesma polarização, o que caracteriza a

radiação resultante como coerente. Essas propriedades constituem as características

essenciais de todo feixe laser.

3. cristal alexandride

O cristal alexandrite é uma pedra de gema variante de crisoberilo e contém

cromo na sua estrutura, com segunte composição química: Be Al2 O4Cr 3+. Apresenta

bandas centralizadas entre (590 e 420) nm.

Exibe um brilho metálico,colorido, verde ou azul esverdeado à luz do visivel e

violeta esvermelhada à luz artificial.como mostra a fig.8


10

Fig.8 cristal alexandrita.

3.1 propriedades fisicas do cristal alexandrite

Tabela1.

4. laser de alexandite

É um laser do estado sólido cujo meio de Activação está inserido um cristal de

alexandrite, 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.


11

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

excitado Ey e E0 como mostra a figura 9.

Fig.9 sistema de três niveis de laser de alexandrite


12

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

que o sistema composto por essa reacção óptica e pelo meio activo seja a sede de

uma oscilação laser. A Emissão estimulada deve obedecer:

– Estado de energia fundamental E1

– Estado excitado: meta-estávelde energia E2

- A teoria de probabilidade de Einstein - “as

probabilidades de absorpção(A) e de emissão estimulada (EE) são iguais”.

4.3.1 Tipo de Emissão laser

O laser alexandrite funciona em regime pulsado. Este regime de funcionamento é

dirigido pelo modo de bombeamento e depende da duração média dos pulsos e sua

freqüência. Os lasers pulsados geralmente têm duração que variaentre centenas de

nanosegundos e dezenas de milisegundos.


13

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 de 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,

fornecendo-lhes energia. O cristal laser é colocado no meio de acção, e um

ressonador que garante a amplificação e as propriedades do feixe laser.

Fig. 11 constunção do laser alexandrite


14

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 torna-

se 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),

atingindo as raízes mais profundas.

- remoção de pelos no corpo, operando sob o princípio da fototermólise seletiva.

- Seu comprimento de onda é menos absorvido pela melanina, portanto, permite uma

penetração mais profunda na pele, mas a sua absorção pela hemoglobina é muito

menor do que outros lasers vasculares específicos. É, entretanto, suficiente para

fotocoagular veias reticulares superficiais e mais profundas (com mais de 3 mm de

diâmetro) de forma eficaz, através de pele clara ou com pigmentação mais escura.


15

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 áreas Resultando em altas temperaturas localizadas, que são

atravez de tecnicas electronicas para o laser alexandrite confinadas. Alguns lasers

emitem uma série rápida de baixos pulsos de energia e são chamados de quase

contínuos. Ao contrario do alexandrite com pulsos curtos,Esses pulsos curtos e de

alto-poder são úteis na remoção seletiva de tatuagens e lesões pigmentadas.


16

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). Novos materiais para

amplificadores laser. Impressão académica . Instituto Superior Técnico.Lisboa.

5.2 Sites

1. www.wikipedia.com/enciclopedia livre/lasers-funcionamento e constiuição .

5.3 Livros

1. Skoog.Holler.Nieman).Principios de Análise Instrumental. Edição. Artmed editora .

laser de alexandrite-funcionamento

Documents