Materiais fundamentais para a tecnologia LASER – Parte I, Fundamentos básicos

Você certamente já ouviu falar de laser; ele está totalmente presente direta e indiretamente em nossa vida – em cirurgias, em procedimentos de estética, em produtos que consumimos que são soldados, cortados, revestidos, marcados ou tratados termicamente por meio dele, em leitores de código de barra, brinquedos, leitores de CD e DVD, em superfícies hidrofóbicas e etc. O laser é muito estudado por nós da engenharia de materiais no que diz respeito a parâmetros, influência do laser sobre materiais e como ele modifica suas propriedades devido ao efeito térmico, ou seja, a abordagem é mais direcionada ao processo. Mas você já parou para pensar que para produzir o laser em si também há muito estudo na nossa área? Isso porque os materiais ali aplicados são muito especiais, como veremos depois de compreender melhor o princípio básico por trás do funcionamento de um laser.

Quando há choque entre átomos, partículas ou incidência de ondas eletromagnéticas, o átomo de um material, que tem uma certa energia, fica sobrecarregado energeticamente e nesse momento seus elétrons movem-se para outros níveis, de maior energia. Nesse momento diz-se que o átomo está no estado excitado. No entanto isso dura pouquíssimo tempo e logo os elétrons voltam a suas posições iniciais, liberando a energia recebida anteriormente na forma de um fóton, que se pode imaginar como sendo um pequeno pacotinho de luz. O princípio de funcionamento do laser envolve uma situação denominada emissão estimulada: Se quando o átomo estiver excitado, um fóton incidir sobre ele, esse átomo vai imediatamente voltar ao estado inicial e emitir um fóton semelhante ao que incidiu, apresentando mesma direção e fase e ficando assim com dois fótons com aquelas características, como mostra a figura abaixo.

Assim, para que um material possa ser submetido à emissão estimulada, seus átomos precisam permanecer por um tempo razoável (dezenas de nanossegundos a microssegundos) em seus estados excitados (E’), para que os fótons incidentes os encontrem nesse estado e uma reação em cadeia possa acontecer. Isso, no entanto, não acontece para a maioria dos materiais existentes, que permanecem excitados por não mais que pouquíssimos nanossegundos. No entanto, verificou-se que algumas substâncias e materiais específicos permaneciam tempo o suficiente para que uma quantidade significativa de luz pudesse ser gerada, originando o laser. Como cada material apresenta níveis de energia distintos, o comprimento de onda do fóton emitido é característico de cada um deles, como se fosse uma impressão digital. Isso impacta totalmente nas aplicações do laser, já que diferentes comprimentos de onda são recebidos de forma distinta pelos materiais que serão processados a laser, como mostra a figura abaixo. Nela, podemos ver que cada material absorve melhor algum tipo de comprimento de onda, tornando mais favorável para o processamento desse material o uso daquele tipo de laser.

Fração de luz absorvida para diferentes materiais de acordo com o tipo de laser utilizado (diodo direto, fibra, Nd:YAG e Co2). Fonte: Larcombe, 2013

Agora que as necessidades buscadas em um material para que seja um meio ativo para o laser são melhor compreendidas, apresentaremos na próxima semana os diferentes grupos de laser existentes e os quais tipos de materiais usados em cada um deles.

Atualização: Link para a parte 2 da matéria!

Fontes:

D. Larcombe, “Fiber versus CO₂ laser cutting,” Industrial Laser Solutions, 2013.

Laser:Princípios Basicos de Funcionamento – MSPC;

Laser – Infoescola;