Uma cartilha sobre sólidos

Nov 17, 2023

O primeiro laser já construído foi um laser de rubi de estado sólido construído por Theodore Maiman em 1960. Mas os lasers de estado sólido não são uma curiosidade histórica. Em vez disso, a tecnologia cresceu e se diversificou ao longo dos anos, atendendo a uma enorme variedade de aplicações científicas, industriais, aeroespaciais, de defesa, médicas e de ciências da vida.

Os lasers são amplamente classificados pelo estado da matéria de seu material laser (meio de ganho): gás, líquido, estado sólido e até mesmo lasers de plasma. Mas é prática comum usar o termo estado sólido para se referir apenas a lasers que usam um meio de ganho de cristal ou vidro. Este material hospedeiro geralmente é dopado com íons para suportar a população e, portanto, a ação do laser.

O bombeamento é o processo de fornecimento de energia bruta ao cristal do laser, que é então convertido em luz laser. O cristal não é condutor, então a energia da bomba é virtualmente sempre fornecida ao meio de ganho de estado sólido na forma de luz, e não na forma de eletricidade. Os primeiros lasers de estado sólido foram bombeados por flashlamps. Essa situação mudou drasticamente com a introdução do bombeamento a laser de diodo na década de 1980.

Os lasers de diodo fornecem uma fonte intensa de luz e o comprimento de onda pode ser combinado com a absorção do meio de ganho. Isso resulta em um laser muito eficiente, onde uma quantidade relativamente grande da energia originalmente fornecida ao laser (especificamente a eletricidade usada para alimentar os diodos) acaba sendo convertida em luz laser. Além disso, o bombeamento de diodo oferece uma enorme confiabilidade e vantagens de vida útil, uma pegada pequena (tamanho) e consistência operacional.

No entanto, o bombeamento de lâmpada ainda é usado com certos cristais de laser de estado sólido. Isso ocorre porque os lasers de estado sólido alimentados por lâmpadas podem produzir energias de pulso muito altas. Além disso, o preço de compra típico e o custo por watt da potência da bomba da lâmpada são muito mais baixos do que os diodos.

Os ressonadores de laser de estado sólido são configurados principalmente da maneira tradicional. Ou seja, o material de ganho é colocado entre dois espelhos para formar uma cavidade óptica. Às vezes, a(s) extremidade(s) do cristal do laser é revestida para se tornar o(s) espelho(s). O próprio cristal do laser pode estar na forma de haste, placa ou disco fino.

Devido ao grande número de diferentes cristais disponíveis, existem muitos tipos diferentes de lasers de estado sólido atualmente em uso. Não é possível descrevê-los todos aqui, e mesmo categorizá-los é difícil, uma vez que os lasers de estado sólido existentes cobrem um espaço extremamente amplo de características de saída. Mas, para os propósitos desta discussão, é útil dividi-los em três grandes categorias: onda contínua (CW) e largura de pulso de nanossegundo, pulso ultracurto e lasers ultrarrápidos.

Os lasers de estado sólido mais comuns desta categoria são baseados em cristais de neodímio, geralmente dopados com granada de alumínio e ítrio (Nd:YAG), ortovanadato de ítrio (Nd:YVO4) ou fluoreto de lítio e ítrio (Nd:YLF). A saída fundamental do laser mais forte para todos esses cristais está no infravermelho em cerca de 1 μm.

Esses cristais estão todos em uso porque cada um produz características operacionais um tanto diferentes. Por exemplo, Nd:YVO4 é mais adequado para lasers pulsados ​​de alta potência de pico e alta taxa de repetição. Em contraste, o Nd:YAG normalmente fornece maior energia de pulso total em taxas de repetição mais baixas. Nd:YLF fornece energias de pulso ainda mais altas, geralmente em taxas de repetição ainda mais baixas.

Existem também vários cristais de laser que utilizam dopantes de hólmio, túlio, itérbio ou érbio em vez de Nd. Os cristais Er:YAG, Tm:YAG, Ho:YAG todos têm cerca de 2 μm. Esse comprimento de onda é fortemente absorvido pelo tecido vivo que contém água, tornando esses tipos de laser úteis para uma variedade de aplicações médicas.

A maioria desses cristais pode ser operada em onda contínua (CW). Mas, a maioria dos processamentos de materiais e outros lasers industriais de estado sólido são operados por pulso. A pulsação aumenta a potência de pico, o que é crítico para ultrapassar o limite de ablação (potência mínima necessária para derreter ou vaporizar) para muitos materiais, particularmente metais, ou para produzir uma mudança de cor de superfície para marcação.