Entendendo os lasers de CO2!

Você já se perguntou como os lasers revolucionaram tudo, desde a cirurgia até o corte de metal? Este artigo mergulha no fascinante mundo dos lasers de CO2, explicando seus princípios e estrutura. Ao ler, você descobrirá como essas ferramentas poderosas funcionam. Prepare-se para explorar as maravilhas da tecnologia laser de CO2!

Dispositivos a laser

Existem muitos tipos de lasers. Abaixo, vamos categorizá-los e apresentá-los com base no material de trabalho do laser, método de excitação e modo de operação.

(1) Por material de trabalho

(1) Lasers sólidos (cristal e vidro);

(2) Lasers de gás, divididos em lasers de gás atômico, lasers de gás iônico, lasers de gás molecular e lasers de gás quase-molecular;

(3) Lasers líquidos, cujos materiais de trabalho incluem principalmente dois tipos: soluções de corantes fluorescentes orgânicos e soluções de compostos inorgânicos contendo íons de metais de terras raras;

(4) Lasers semicondutores;

(5) Lasers de elétrons livres.

(2) Pelo método de excitação

(1) Lasers bombeados opticamente;

(2) Lasers eletricamente excitados;

(3) Lasers químicos;

(4) Lasers bombeados nucleares.

(3) Por modo de operação

(1) Lasers contínuos;

(2) Lasers de pulso único;

(3) Lasers de pulso repetitivo;

(4) Lasers modulados;

(5) Lasers de modo bloqueado;

(6) Lasers monomodo e de frequência estável;

(7) Lasers sintonizáveis.

O princípio dos lasers de CO2

 · Estrutura básica de um laser de CO2

Figura 1: Estrutura básica de um laser de CO2

(1) Tubo de laser

Esta é a parte mais crítica do laser. Geralmente é composto de três partes (conforme mostrado na Figura 1): o espaço de descarga (tubo de descarga), a camisa de resfriamento de água (tubo) e o reservatório de gás.

(2) Ressonador óptico

O ressonador óptico é composto por um espelho de reflexão total e um espelho de reflexão parcial, constituindo uma parte crucial do laser de CO2.

(3) Fonte de alimentação e bomba

 ·  Princípio básico de funcionamento do laser de CO2

Conforme mostrado na Figura 2, o diagrama ilustra os níveis de energia molecular responsáveis pela geração de laser em um laser de CO2.

O processo de excitação do laser de CO2, como pode ser discernido na Figura 2, envolve principalmente três gases: CO2, nitrogênio e hélio. CO2 é o gás que produz radiação laser, enquanto o nitrogênio e o hélio servem como gases auxiliares.

O hélio serve a dois propósitos: acelera o processo de relaxamento térmico do nível 010, o que auxilia na extração dos níveis 100 e 020 e facilita a transferência de calor eficaz.

A introdução de nitrogênio facilita principalmente a transferência de energia no laser de CO2, contribuindo significativamente para o acúmulo de partículas nos níveis superiores de energia do laser de CO2 e a saída de lasers de alta potência e alta eficiência.

A bomba emprega excitação contínua de energia CC. Seu princípio de alimentação CC envolve transformar a tensão CA conectada usando um transformador e, em seguida, retificar e filtrar a alta tensão para aplicá-la ao tubo do laser.

Figura 2: Diagrama de Transição do Nível de Energia Laser Molecular de CO2

O laser de CO2 é um laser de alta eficiência que minimiza os danos ao meio de trabalho. Ele emite um laser invisível com comprimento de onda de 10,6 μm, tornando-o um laser ideal.

O princípio básico de funcionamento do laser de CO2 é semelhante a outros lasers moleculares, com o processo de emissão estimulada sendo bastante complexo.

A molécula tem três movimentos diferentes: o movimento dos elétrons dentro da molécula, que determina o estado de energia eletrônica da molécula; as vibrações dos átomos dentro da molécula, ou seja, átomos oscilando periodicamente em torno de suas posições de equilíbrio, determinando o estado de energia vibracional da molécula; e a rotação da molécula, ou seja, a rotação contínua da molécula no espaço como um todo, determinando o estado de energia rotacional da molécula.

Os movimentos moleculares são extremamente complexos, daí a complexidade dos níveis de energia.

Geração de laser em laser de CO2: No tubo de descarga, uma corrente CC de várias dezenas a centenas de miliamperes é normalmente inserida.

Durante a descarga, as moléculas de nitrogênio no gás misturado dentro do tubo de descarga são excitadas devido à colisão de elétrons. As moléculas de nitrogênio excitadas colidem com as moléculas de CO2.

A molécula de N2 transfere sua energia para a molécula de CO2, fazendo com que a molécula de CO2 faça a transição de um nível de energia mais baixo para um mais alto, resultando em uma inversão populacional e, consequentemente, na geração de laser.

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