Laser de estado sólido

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Antecedentes

Um laser, que é um acrônimo para amplificação de luz por emissão estimulada de radiação, é um dispositivo que converte energia elétrica ou óptica em luz. A energia elétrica ou óptica é usada para excitar átomos ou moléculas, que então emitem luz monocromática (comprimento de onda único). Um laser consiste em uma cavidade, com espelhos planos ou esféricos nas extremidades, que é preenchida com material lasável. Este material pode ser excitado a um estado semi-estável pela luz ou por uma descarga elétrica. O material pode ser um cristal, vidro, líquido, corante ou gás, desde que possa ser excitado dessa forma. Um laser de estado sólido é aquele que usa um cristal, cujos átomos estão rigidamente ligados, ao contrário de um gás. O cristal produz luz laser depois que a luz é bombeada para ele por uma lâmpada ou outro laser.

A cavidade mais simples possui dois espelhos, um que reflete totalmente e outro que reflete entre 50 e 99%. Conforme a luz é refletida entre esses espelhos, a intensidade aumenta. Como a luz do laser viaja na mesma direção que um feixe intenso, o laser produz uma luz muito brilhante. Os feixes de laser também podem ser projetados a grandes distâncias e podem ser focalizados em um ponto muito pequeno.

O tipo de espelho determina o tipo de feixe. Um feixe muito brilhante, altamente monocromático e coerente é produzido quando um espelho transmite apenas 1-2% da luz. Se espelhos planos são usados, o feixe é altamente colimado (feito paralelo). O feixe sai perto de uma extremidade da cavidade quando espelhos côncavos são usados. O tipo de feixe no primeiro caso torna os lasers muito úteis na medicina, pois essas propriedades permitem ao médico direcionar a área desejada com mais precisão, evitando danos ao tecido circundante.

Uma maneira de excitar os átomos a um nível de energia mais alto é iluminar o material do laser com luz de frequência mais alta do que a luz do laser. Também conhecido como bombeamento óptico, esses lasers de estado sólido usam uma haste de material cristalino sólido com suas extremidades polidas e paralelas e revestidas com espelhos para refletir a luz do laser. Os íons estão suspensos na matriz cristalina e emitem elétrons quando excitados.

Os lados da haste são deixados livres para admitir a luz da lâmpada de bombeamento, que pode ser uma descarga de gás pulsada produzindo luz intermitente. O primeiro laser de estado sólido usou uma haste de rubi rosa e um cristal artificial de safira. Dois lasers de estado sólido comuns usados ​​hoje são Nd:YAG (neodímio:granada de ítrio de alumínio) e Nd:vidro. Ambos usam lâmpadas flash de criptônio ou xenônio para bombeamento óptico. Flashes de luz brilhantes de até milhares de watts podem ser obtidos e a vida útil é de aproximadamente 10.000 horas.

Uma vez que a luz do laser pode ser focada em um ponto preciso de grande intensidade, calor suficiente pode ser gerado por um pequeno laser pulsado para vaporizar diferentes materiais. Assim, os lasers são usados ​​em vários processos de remoção de materiais, incluindo usinagem. Por exemplo, os lasers de rubi são usados ​​para fazer furos em diamantes para matrizes de trefilagem e em safiras para rolamentos de relógios.

História

O conceito por trás dos lasers foi proposto pela primeira vez por Albert Einstein, que mostrou que a luz consiste em partículas sem massa chamadas fótons. Cada fóton possui uma energia que corresponde à frequência das ondas. Quanto mais alta a frequência, maior a energia transportada pelas ondas. Einstein e outro cientista chamado S. N. Bose desenvolveram a teoria para o fenômeno em que os fótons tendem a viajar juntos. Este é o princípio por trás do laser.

A ação do laser foi demonstrada pela primeira vez na região das micro-ondas em 1954 pelo vencedor do Prêmio Nobel Charles Townes e colegas de trabalho. Eles projetaram um feixe de moléculas de amônia por meio de um sistema de eletrodos de foco. Quando a potência de micro-ondas de frequência apropriada foi passada pela cavidade, ocorreu a amplificação e o termo amplificação de micro-ondas por emissão estimulada de radiação (M.A.S.E.R.) nasceu. O termo laser foi cunhado pela primeira vez em 1957 pelo físico Gordon Gould.

Um ano depois, Townes trabalhou com Arthur Schawlow e os dois propuseram o laser, recebendo uma patente em 1960. Nesse mesmo ano, Theodore Maiman, físico do Laboratório de Pesquisa Hughes, inventou o primeiro laser prático. Este laser era um tipo de estado sólido, usando um cristal de rubi rosa rodeado por um tubo de flash envolto em uma cavidade cilíndrica de alumínio polido resfriado por ar forçado. O cilindro de rubi foi polido em ambas as extremidades para ficar paralelo a um terço do comprimento de onda da luz. Cada extremidade foi revestida com prata evaporada. Este laser operou em modo pulsado. Dois anos depois, um laser de rubi contínuo foi feito substituindo a lâmpada de flash por uma lâmpada de arco.

Depois que o laser de Maiman foi demonstrado com sucesso, outros pesquisadores tentaram uma variedade de outros substratos e terras raras, incluindo érbio, neodímio e até mesmo urânio. Substratos de ítrio alumínio granada, vidro e fluoreto de cálcio foram testados. O desenvolvimento de diodos laser poderosos (um dispositivo que forma uma saída de luz coerente usando eletrodos ou semicondutores) na década de 1980 levou a lasers de estado sólido em regime de onda contínua que eram mais eficientes, compactos e confiáveis. A tecnologia de diodo foi aprimorada durante a década de 1990, eventualmente aumentando a potência de saída dos lasers de estado sólido para o nível multikilowattt.

Os lasers de Nd:YAG e rubi são agora usados ​​em muitas aplicações industriais, científicas e médicas, junto com outros lasers de estado sólido que usam diferentes tipos de cristais. Os lasers Nd:YAG também estão sendo usados ​​para monitorar poluição, soldagem e outros usos. Esse tipo de cristal é o mais amplamente usado - mais de dois terços dos cristais cultivados são desse tipo. Outros cristais sendo cultivados incluem Nd:YVO4 (ortovanadato de ítrio), Nd:vidro e Er:YAG.

Matérias-primas

Componentes ópticos, mecânicos e eletrônicos feitos de vários materiais (cristais, metais, semicondutores, etc.) são geralmente fornecidos por outros fabricantes. A terceirização varia de fabricante para fabricante de laser. Um laser de estado sólido consiste em dois componentes principais, ou "caixas". Um componente contém a ótica (cristal laser e espelhos) e o outro contém a eletrônica (fonte de alimentação, controles internos). Às vezes, esses dois componentes são integrados em uma caixa.

Design

O desenho da cavidade do laser é determinado pela aplicação. Normalmente, o grupo de pesquisa e desenvolvimento desenvolve o design. Este projeto determina as características operacionais, incluindo potência, comprimento de onda e outras propriedades do feixe. Os designers também incorporam recursos de segurança conforme exigido pela Food and Drug Administration (FDA).

O processo de fabricação

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  1 Normalmente, todos ou a maioria dos componentes são fabricados em outro lugar. Por exemplo, os produtores de cristal fornecem o material de laser. Para fazer crescer um cristal de Nd:YAG, um composto em pó de óxido de alta pureza dos elementos desejados é colocado em um cadinho e derretido em um forno de radiofrequência em altas temperaturas. Um cristal semente é então colocado em contato com a superfície do líquido. Quando o cristal semente é lentamente levantado, girado e ligeiramente resfriado, um único cristal da composição desejada emerge a uma taxa de cerca de 0,02 pol. (0,5 mm) por hora.
  
  Cristais Nd:YAG típicos variam de 2,4-3,1 pol. (60-80 mm) de diâmetro por 6,9-8,9 pol. (175-225 mm) de comprimento. Varetas, wafers e placas em várias geometrias são extraídas do cristal crescido e, a seguir, fabricadas, polidas e revestidas de acordo com as especificações do cliente. Os produtos acabados variam de hastes tão pequenas quanto 0,02 pol. (0,5 mm) de diâmetro por 1 pol. (25 mm) Um laser de estado sólido consiste em uma cavidade com espelhos planos ou esféricos em cada extremidade que são preenchidos com um cristal, cujos átomos estão rigidamente ligados. Depois que a luz é bombeada por uma lâmpada ou outro laser, o cristal produz luz que reflete entre os espelhos, aumentando a intensidade e produzindo uma luz muito brilhante. longo para geometrias de laje tão grandes quanto 0,3 x 1,5 pol. (8 x 37 mm) em seção transversal por 9,2 pol. (235 mm) de comprimento. A geometria de haste Nd:YAG mais comum é um cilindro circular direito.
  

Montagem

• 2 Uma vez que o laser é projetado e os componentes recebidos, a ótica é integrada aos componentes mecânicos. Um técnico segue uma planta, colocando os componentes ópticos nas posições desejadas, usando suportes de metal ou dispositivos de montagem. Este procedimento é realizado em um ambiente de sala limpa para evitar a contaminação dos componentes ópticos.

Alinhamento

• 3 Em seguida, a cavidade do laser é alinhada para operar nas especificações desejadas. Isso é feito em uma mesa de teste por outro técnico, utilizando outro laser para auxiliar no alinhamento.

Teste final

• 4 Antes de enviar o laser ao cliente, ele passa por uma etapa chamada teste final, que basicamente verifica se o laser está funcionando corretamente, incluindo potência de saída, qualidade do feixe e outras características. O laser é operado por várias horas para garantir que passe na inspeção.

Controle de qualidade

A maioria dos fabricantes de laser segue os padrões internacionais de qualidade que fornecem feedback em todo o processo de fabricação. O laser também passa por vários procedimentos de teste importantes, conforme descrito anteriormente.

Todos os dispositivos a laser distribuídos nos Estados Unidos devem ser certificados como estando em conformidade com o padrão federal de desempenho de produtos a laser e relatados ao Escritório de Conformidade do Centro de Dispositivos e Saúde Radiológica (CDRH) antes da distribuição aos usuários finais. Este padrão de desempenho especifica os recursos de segurança e rotulagem que todos os lasers devem ter para fornecer segurança adequada aos usuários. Cada laser deve ser certificado quanto à conformidade com o padrão antes de ser introduzido no mercado. A certificação significa que cada unidade passou em um teste de garantia de qualidade que está em conformidade com o padrão de desempenho. Aqueles que certificam os lasers assumem a responsabilidade de relatar e notificar quaisquer problemas com o laser.

Subprodutos / resíduos

Como os fornecedores dos vários componentes geralmente seguem os procedimentos de gerenciamento de qualidade total, o fabricante do laser não testa os componentes quanto a defeitos e há pouco desperdício. Se forem encontrados componentes com defeito, às vezes eles são devolvidos ao fabricante.

O Futuro

Lasers de estado sólido estão sendo projetados para ter maior potência, são mais rápidos, têm comprimentos de onda mais curtos e melhor qualidade de feixe, o que expandirá suas aplicações. Por exemplo, estão sendo desenvolvidos materiais de laser que serão capazes de comprimir muitos bilhões de pulsos em um segundo, resultando em lasers de femtossegundos que fornecem dezenas de pulsos em cada nanossegundo. Lasers de estado sólido que podem fornecer energia no nível de terawatt ou petawatt também estão sendo testados para a produção de reações nucleares, com potencial para serem usados ​​em aplicações de medicina nuclear, como tomografia computadorizada. Os lasers Nd:YAG estão se expandindo na indústria de eletrônicos para aplicações de perfuração, soldagem e aparagem. Cristais Lasing continuam a ser feitos para durar mais tempo.

Espera-se que o mercado mundial de sistemas de laser aumente de US $ 4,7 bilhões em 2000 para US $ 8 bilhões em 2005, com o mercado de laser de estado sólido atingindo mais de US $ 1,1 bilhão, em comparação com US $ 4,6 bilhões para lasers de diodo. Os lasers de estado sólido estão substituindo os lasers de corante, íon e HeNe em certos mercados. Outros analistas prevêem que os lasers de estado sólido com lâmpada de flash crescerão para US $ 660 milhões e os lasers de estado sólido com bomba de diodo para US $ 312 milhões em 2003. Este último tipo de laser se tornará mais popular para aplicações industriais como marcação de uso geral e processamento de materiais, como os custos diminuem e poderes superiores tornam-se disponíveis. Esses lasers também estão sendo projetados com manutenção mínima.