Física do Laser
A física do laser estuda como a emissão estimulada e o feedback óptico se combinam para gerar luz coerente, direcional e monocromática.
Definition
O estudo dos princípios pelos quais um meio de ganho com inversão de população, colocado dentro de um ressonador óptico, amplifica a luz através de emissão estimulada para produzir um feixe coerente, direcional e de banda estreita.
Scope
A física do laser é a área da óptica que se ocupa da geração de luz coerente por emissão estimulada. Abrange a interação quântica da luz e da matéria através dos coeficientes de Einstein, a criação de inversão de população e ganho óptico num meio bombeado, o papel de um ressonador óptico no fornecimento de feedback e seleção de modos, o limiar e a operação em regime estacionário de osciladores a laser, as principais classes de laser e os seus regimes de operação, incluindo saída de onda contínua e pulsada (Q-switched e mode-locked), e a estrutura espacial dos feixes de laser. Fornece a base física para os lasers utilizados em toda a ciência, indústria e medicina.
Sub-topics
Core questions
- Como a emissão estimulada produz ganho óptico?
- Que condições são necessárias para atingir e sustentar a oscilação do laser?
- Como o ressonador molda as propriedades espectrais e espaciais da saída?
- O que distingue os principais tipos de laser e os seus métodos de geração de pulsos?
Key concepts
- emissão estimulada
- inversão de população
- ganho óptico
- bombeamento
- ressonador óptico
- limiar de laser
- modos longitudinais e transversais
- coerência e monocromaticidade
Key theories
- Emissão estimulada e os coeficientes de Einstein
- O tratamento de Einstein da absorção, emissão espontânea e emissão estimulada relaciona as suas taxas e mostra que um meio excitado pode amplificar a luz coerentemente, o princípio subjacente a todos os lasers.
- Oscilação do laser: ganho, feedback e limiar
- A emissão laser ocorre quando o ganho de ida e volta de um meio com inversão de população equilibra as perdas do ressonador; acima deste limiar, uma oscilação coerente e auto-sustentável se estabelece nos modos da cavidade.
- Estrutura do modo do ressonador
- O ressonador óptico impõe frequências longitudinais discretas e modos espaciais transversais ao campo, determinando a largura de linha, o perfil do feixe e a coerência do laser.
Clinical relevance
Os lasers são utilizados em toda a medicina para cortar e coagular tecidos em cirurgia, para fotocoagulação e correção refrativa em oftalmologia, para tratamentos dermatológicos e estéticos, e como fontes de luz para imagiologia diagnóstica e espectroscopia, a sua saída precisa e coerente permitindo uma entrega de energia controlada.
History
Einstein introduziu a emissão estimulada em 1917, mas a amplificação coerente só foi realizada com o maser da década de 1950 por Townes e colegas. Schawlow e Townes delinearam o laser óptico em 1958, e Maiman operou o primeiro laser funcional, um dispositivo de rubi, em 1960, abrindo o campo.
Key figures
- Albert Einstein
- Charles H. Townes
- Arthur L. Schawlow
- Theodore H. Maiman
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Seminal works
- siegman1986
- svelto2010
Frequently asked questions
- O que torna a luz laser diferente da luz comum?
- A luz laser é altamente coerente, quase monocromática e emitida como um feixe direcional bem definido, porque surge da emissão estimulada em alguns modos de ressonador, em vez de emissão espontânea independente em muitas direções e comprimentos de onda.
- Por que um laser precisa de um ressonador?
- O ressonador faz a luz passar pelo meio de ganho muitas vezes, permitindo que o campo se acumule por emissão estimulada repetida e selecionando as frequências e a forma do feixe específicas que sustentam a oscilação.