Laser de Estado Sólido

Fundo

de Um laser, que é uma sigla que significa Amplificação de Luz por Emissão Estimulada de Radiação é um dispositivo que converte elétrica ou óptica de energia 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 lasable. 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 maneira. 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%. À medida que a luz salta entre esses espelhos, a intensidade aumenta. Como a luz laser viaja na mesma direção de um feixe intenso, o laser produz luz muito brilhante. Os feixes de Laser também podem ser projetados em grandes distâncias e podem ser focados 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 forem usados espelhos planos, o feixe é altamente colimado (feito em 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, uma vez que 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 uma 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 planas e paralelas e revestidas com espelhos para refletir a luz do laser. Os íons são suspensos na matriz cristalina e emitem elétrons quando excitados.

os lados da haste são deixados claros 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 comuns de Estado Sólido usados hoje são Nd: YAG (neodímio:granada de alumínio de ítrio) e Nd:vidro. Ambos usam lâmpadas de flash krypton ou xenon para bombeamento óptico. Flashes brilhantes de luz até milhares de watts podem ser obtidos e a vida útil operacional é de cerca de 10.000 horas.

desde que a luz de laser pode ser focalizada a um ponto preciso da grande intensidade, bastante calor pode ser gerado por um laser pulsado pequeno para vaporizar materiais diferentes. Assim, os lasers são usados em vários processos de remoção de material, incluindo usinagem. Por exemplo, os lasers de rubi são usados para fazer furos em diamantes para matrizes de trefilação de fios 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 tem uma energia que corresponde à frequência das ondas. Quanto maior a frequência, maior a energia transportada pelas ondas. Einstein e outro cientista chamado S. N. Bose então desenvolveram a teoria para o fenômeno onde 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 de micro-ondas em 1954 pelo ganhador do Prêmio Nobel Charles Townes e colegas de trabalho. Eles projetaram um feixe de moléculas de amônia através de um sistema de eletrodos de foco. Quando a potência de microondas de frequência apropriada foi passada através da cavidade, ocorreu amplificação e o termo amplificação de microondas 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 dos Laboratórios de pesquisa Hughes, inventou o primeiro laser prático. Este laser era um tipo de estado sólido, usando um cristal rubi rosa cercado por um tubo de flash fechado dentro de uma cavidade cilíndrica de alumínio polido resfriada por ar forçado. O cilindro de rubi foi polido em ambas as extremidades para ser paralelo a um terço de um comprimento de onda de luz. Cada extremidade foi revestida com prata evaporada. Este laser operou no 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 erbium, neodímio e até urânio. Foram testados substratos de granada de alumínio de ítrio, vidro e fluoreto de cálcio. O desenvolvimento de poderosos diodos a laser (um dispositivo que forma uma saída de luz coerente usando eletrodos ou semicondutores) na década de 1980 levou a lasers de estado sólido no regime de onda contínua que eram mais eficientes, compactos e confiáveis. A tecnologia de diodo melhorou durante a década de 1990, aumentando eventualmente as potências de saída dos lasers de estado sólido para o nível multikilowattt. Os lasers Nd:YAG e ruby são agora usados em muitas aplicações industriais, científicas e médicas, juntamente com outros lasers de estado sólido que usam diferentes tipos de cristais. ND: os lasers YAG também estão sendo usados para monitorar poluição, soldagem e outros usos. Este tipo de cristal é o mais amplamente utilizado—mais de dois terços dos cristais cultivados são desse tipo. Outros cristais que estão 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 de laser para fabricante. Um laser de Estado Sólido consiste em dois componentes principais, ou “caixas”.”Um componente contém a ótica (cristal lasing 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 design 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

• 1 Normalmente, todos ou a maioria dos componentes são fabricados em outro lugar. Por exemplo, os produtores de cristal fornecem o material lasing. Para crescer um Nd:Cristal YAG, um composto de pó de óxido de alta pureza dos elementos desejados é colocado em um cadinho e derretido em um forno de radiofrequência a altas temperaturas. Um cristal de semente é então colocado em contato com a superfície líquida. Quando o cristal de semente é lentamente levantado, girado e resfriado ligeiramente, um único cristal da composição desejada emerge a uma taxa de cerca de 0,02 pol (0,5 mm) por hora.

  Nd típico:os cristais de YAG variam de 2,4-3,1 pol (60-80 mm) de diâmetro em 6,9-8,9 pol (175-225 mm) de comprimento. Hastes, bolachas e lajes em várias geometrias são extraídas do cristal cultivado, depois fabricadas, polidas e revestidas de acordo com as especificações do cliente. Os produtos acabados variam de hastes tão pequenas quanto 0.02 in (0.5 mm) de diâmetro por i in (25 mm)

  

  um laser de Estado Sólido consiste em uma cavidade com espelhos planos ou esféricos em cada extremidade que é preenchida com um cristal, cujos átomos estão rigidamente ligados. Depois que a luz é bombeada para ela por uma lâmpada ou outro laser, o cristal produz luz que salta entre os espelhos, aumentando a intensidade e produzindo uma luz muito brilhante.

  geometrias longas a 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. O Nd mais comum: a geometria da haste YAG é um cilindro circular direito.

montagem

• 2 uma vez que o laser é projetado e os componentes recebidos, a ótica é integrada com os componentes mecânicos. Um técnico segue um modelo, 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 de lasing é alinhada para que funcione nas especificações desejadas. Isso é realizado em uma mesa de teste por outro técnico, usando outro laser para ajudar no alinhamento.

testes finais

• 4 Antes de enviar o laser para o cliente, ele passa por uma etapa chamada teste final, que basicamente verifica o laser para uma operação adequada, incluindo potência de saída, qualidade do feixe e outras características. O laser é operado por um número de horas para certificar-se que passa a inspeção.

Controle de qualidade

a maioria dos fabricantes de laser segue padrões internacionais de qualidade que fornecem loops de feedback durante 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 cumprindo o padrão Federal de desempenho do produto a laser e relatados ao escritório de Conformidade do Center for Devices and Radiological Health (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 de que está em 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 lasers assumem a responsabilidade por relatórios e notificações de quaisquer problemas com o laser.

subprodutos / resíduos

como os fornecedores dos vários componentes geralmente seguem os procedimentos de gerenciamento da qualidade total, o fabricante do laser não testa os componentes quanto a defeitos e há pouco desperdício. Se forem encontrados componentes defeituosos, eles às vezes são enviados de volta ao fabricante.

o futuro

lasers de Estado Sólido estão sendo projetados que têm 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 espremer muitos bilhões de pulsos em um segundo, resultando em lasers de femtossegundo entregando 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 produzir reações nucleares, com o potencial de serem usados em aplicações de Medicina nuclear, como varredura CAT. ND: os lasers de YAG estão expandindo na indústria eletrônica para aplicações da perfuração, da solda e do aparamento. Os cristais de 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 do tipo corante, íon e Heno em certos mercados. Outros analistas prevêem que os lasers de Estado Sólido bombeados por lâmpadas de flash crescerão para US $660 milhões e os lasers de Estado Sólido bombeados por diodo para US $312 milhões até 2003. O último tipo de laser se tornará mais popular para aplicações industriais como marcação de uso geral e processamento de materiais, à medida que os custos diminuem e poderes mais altos se tornam disponíveis. Esses lasers também estão sendo projetados com manutenção mínima.