Imagine a book lying on the floor beside a table. With the input of energy, someone lifts the book and places it on the edge of the table. Two things can then happen: (a) The book can spontaneously fall off the table, thereby releasing the identical amount of energy that was required to lift it up. (This energy takes the form of heat created when the book hits the floor). (b) With a gentle push, the book can be pushed off the edge of the table, also releasing the energy. The laser works by a similar mechanism except that it involves an electron instead of a book, and the energy released on falling is light instead of heat.
With the input of light energy an electron can be elevated from a lower energy level (called the ground state, GS) to a higher energy level (called the excited state, ES). ES is of higher energy than GS because in ES the negative electron is further away from the positive atomic nucleus. This is represented by the energy diagram below.
With the input of light energy an electron can be elevated from a lower energy level (called the ground state, GS) to a higher energy level (called the excited state, ES). ES is of higher energy than GS because in ES the negative electron is further away from the positive atomic nucleus. This is represented by the energy diagram below.
Figure 1. Diagrams showing how the input of energy elevates an electron (e) from GS to ES. When the electron in ES “relaxes” back to GS, an identical amount of light energy is released. This can happen either spontaneously or with stimulation by another light wave.
Now the electron in ES can spontaneously fall back to GS and emit a light wave of identical energy to that required in the GS-to-ES transition (recall the book analogy). More relevant to the function of a laser, however, is the stimulated emission where a light wave comes along and causes the electron in ES to fall to GS and emit a light wave. One now has two light waves of identical energy (i.e. the one doing the displacing, and the new one derived from the falling electron). These two light waves can further stimulate emission to yield a total of four identical light waves, and so forth. As long as we are able to “pump” electrons from GS to ES (as is often done with an electrical field), there will be Light Amplified by Stimulated Emission of Radiation, i.e. a laser.
The laser beam is a narrow beam of light in which each component light wave has the identical energy (i.e. the same wavelength). In addition, the waves all add to each other’s intensity by being “in phase” as shown in the figure below. This contrasts with light from, for example, a light bulb that emits light waves travelling in every direction and with a host of phase relationships (including waves half a wavelength out-of-phase that actually eliminate one another). As a result of the precisely oriented light waves, a laser beam can be very powerful and even cut through steel.
The laser beam is a narrow beam of light in which each component light wave has the identical energy (i.e. the same wavelength). In addition, the waves all add to each other’s intensity by being “in phase” as shown in the figure below. This contrasts with light from, for example, a light bulb that emits light waves travelling in every direction and with a host of phase relationships (including waves half a wavelength out-of-phase that actually eliminate one another). As a result of the precisely oriented light waves, a laser beam can be very powerful and even cut through steel.
Figure 2. Schematic of a laser light beam showing light waves that are (a) parallel; (b) all the same wavelength (where wavelength is the distance from peak to peak) and, therefore, of the same energy; (c) all in-phase (peaks and valleys all lined up above each other) so that each wave adds to the overall energy of the beam. In technical terms, the beam is columnated, monochromatic, and coherent.
The construction of a laser is simple with no moving parts. It consists of a tube with mirrors pointed inwardly at either end. Inside is a lasing material such as a ruby crystal or a gas such as helium-neon or carbon dioxide. When electrodes elevate an electron to ES, spontaneous emission creates a light wave. This light wave stimulates further emission of light, which, in turn, stimulates even more emission of light, the process continuing as long as electrons are being “pumped” from GS to ES. The light travels back and forth between mirrors, each trip causing yet additional light waves to form. One of the mirrors (shown on the right in the diagram) is semi-transparent so that it allows a small percentage of the beam to exit.. If a semi-transparent mirror seems mysterious, consider a dirty window through which you can see outside but which also reflects your image; the principle is the same. It is the exiting light, the laser beam, that we find so useful in DVD players, barcode scanners, surgery, cutting and welding, and many other applications.
Figure 3. A highly stylized diagram of a laser. Light waves (double-headed arrows)) are reflected back-and-forth between a standard mirror (on the left) and a semi-transparent mirror (on the right). With each trip the light waves stimulate the emission of light from electrons “pumped” from GS to ES by an electrode (not shown). A portion of the resulting light beam escapes through the semi-transparent mirror to be used for a multitude of purposes.
COMO O LASER FUNCIONA por Fredric M. Menger, Departamento de Química da Universidade de Emory, Atlanta, EUA
Traduzido por Natanael F. França Rocha, Florianópolis, Brasil
Imagine um livro no chão ao lado de uma mesa. Em uma aplicação de energia, alguém levanta o livro e o coloca na beira da mesa. Duas coisas podem acontecer a partir disso: (a) O livro pode espontaneamente cair da mesa, liberando assim a mesma quantidade de energia utilizada para levantá-lo (esta energia assume a forma de calor, que é criado quando o livro toca o chão); (b) Com uma ajudinha, o livro pode ser empurrado para cair da mesa, também liberando energia. O laser funciona por um mecanismo parecido, exceto que se trata de um elétron em vez de um livro, e a energia liberada na queda é luz em vez de calor.
Com a aplicação de energia da luz, um elétron pode ser elevado de um nível de energia mais baixo (chamado de estado fundamental, EF) para um nível de energia mais alto (chamado de estado excitado, EE). O EE é de maior energia do que o EF, uma vez que em EE o elétron negativo está mais longe do núcleo atômico positivo. Veja a representação no diagrama de energia abaixo.
Com a aplicação de energia da luz, um elétron pode ser elevado de um nível de energia mais baixo (chamado de estado fundamental, EF) para um nível de energia mais alto (chamado de estado excitado, EE). O EE é de maior energia do que o EF, uma vez que em EE o elétron negativo está mais longe do núcleo atômico positivo. Veja a representação no diagrama de energia abaixo.
Figura 1. Diagramas mostrando como a aplicação de energia eleva um elétron (e) do EF para o EE. Quando o elétron em EE “repousa” novamente ao EF, uma quantidade idêntica de energia de luz é liberada. Isso pode acontecer espontaneamente ou com a estimulação de uma outra onda de luz.
Agora, o elétron no EE pode voltar espontaneamente ao EF e emitir uma onda de luz de energia idêntica àquela requerida na transição do EF para o EE (lembre-se do exemplo do livro). Mais relevante para a função de um laser, no entanto, é a emissão estimulada na qual uma onda de luz vem e faz com que o elétron em EE caia para o EF e emita uma onda de luz. Temos agora duas ondas de luz com energia idêntica (ou seja, uma é a que faz o deslocamento, e a nova é derivada do elétron caindo). Essas duas ondas de luz podem estimular a emissão até um total de quatro ondas de luz idênticas, e assim por diante. Contanto que consigamos "atiçar" elétrons do EF para o EE (como geralmente é feito com um campo elétrico), haverá Amplificação da Luz por Emissão Estimulada de Radiação (em inglês: Light Amplified by Stimulated Emission of Radiation), ou seja, L.A.S.E.R.
O laser produz um fino feixe de luz no qual cada onda de luz tem a energia idêntica (ou seja, o mesmo comprimento de onda). Além disso, as ondas se juntam à intensidade uma das outras, ficando "em fase", como mostra a figura abaixo. Isto contrasta, por exemplo, com a luz de uma lâmpada que emite ondas de luz viajando em cada direção e com uma série de relações de fase (incluindo ondas de meio comprimento de onda fora de fase que na verdade eliminam uma a outra). Como resultado das ondas de luz precisamente orientadas, um feixe de laser pode ser muito poderoso e, inclusive, cortar aço.
O laser produz um fino feixe de luz no qual cada onda de luz tem a energia idêntica (ou seja, o mesmo comprimento de onda). Além disso, as ondas se juntam à intensidade uma das outras, ficando "em fase", como mostra a figura abaixo. Isto contrasta, por exemplo, com a luz de uma lâmpada que emite ondas de luz viajando em cada direção e com uma série de relações de fase (incluindo ondas de meio comprimento de onda fora de fase que na verdade eliminam uma a outra). Como resultado das ondas de luz precisamente orientadas, um feixe de laser pode ser muito poderoso e, inclusive, cortar aço.
Figura 2. Esquema de um feixe de luz de laser mostrando as ondas de luz que são (a) paralelas; (b) todas com o mesmo comprimento de onda (comprimento de onda como sendo a distância de pico a pico) e, portanto, com a mesma energia ; (c) todas “em fase” (picos e vales todos alinhados um acima do outro) de modo que cada onda se junte à energia total do feixe. Em termos técnicos, o feixe é colimado, monocromático e coerente.
A construção de um laser é simples, sem partes móveis. Consiste em um tubo com espelhos apontados para o interior em cada extremidade. Dentro está um material apropriado, como um cristal de rubi, ou um gás como o hélio-neon ou o dióxido de carbono. Quando os eletrodos elevam um elétron ao EE, a emissão espontânea cria uma onda de luz. Essa onda estimula a mais emissão de luz, que, por sua vez, estimula mais e mais emissão de luz, e o processo continua enquanto os elétrons estiverem sendo "atiçados" do EF para o EE. A luz vai e volta entre os espelhos, e a cada vez fazendo com que mais ondas de luz se formem. Um dos espelhos (mostrado à direita no diagrama) é semitransparente, permitindo que uma pequena porcentagem do feixe saia. Para ter uma ideia mais clara do que é um espelho semitransparente, imagine uma vidraça suja por onde dê para enxergar o lado de fora, mas que também reflita a sua imagem; o princípio é o mesmo. É a luz que escapa para fora, ou seja, o feixe de laser, que é tão importante em aparelhos de DVD, leitores de código de barras, cirurgias, soldagem e corte, e muitas outras aplicações.
Figura 3. Diagrama altamente estilizado de um laser. As ondas de luz (as setas de duas pontas) são refletidas de um lado para outro entre um espelho comum (à esquerda) e um espelho semitransparente (à direita). Cada vez que se refletem, as ondas estimulam a emissão de luz a partir de elétrons "atiçados" do EF para o EE através de um eletrodo (não mostrado). Uma porção do feixe de luz resultante escapa para o outro lado do espelho semitransparente para ser utilizada em uma infinidade de aplicações.
¿CÓMO FUNCIONA EL LÁSER? por Fredric M. Menger, Departamento de Química, Universidad de Emory, Atlanta, EE.UU.
Traducción de Natanael F. França Rocha, Florianópolis, Brasil y revisión de Luis García Rio, Universidad de Santiago de Compostela
Imagina un libro en el suelo junto a una mesa. Con un aporte de energía, alguien levanta el libro y lo coloca en el borde de la mesa. Entonces pueden suceder dos cosas: (a) El libro puede caerse espontáneamente de la mesa, liberando así una cantidad de energía idéntica a la requerida para levantarlo (esta energía se libera en forma de calor). (b) Con una ayudita, el libro puede ser empujado fuera del borde de la mesa, también liberando energía. El láser funciona mediante un mecanismo similar, excepto que se trata de un electrón en lugar de un libro, y la energía liberada en la caída es luz en vez de calor.
Con el aporte energético de la luz, un electrón puede ser elevado desde un nivel de energía más bajo (llamado estado fundamental, EF) a un nivel de energía más alto (llamado el estado excitado, EE). El EE es de mayor energía que el EF, porque en el EE el electrón negativo está más lejos del núcleo atómico positivo. Vease una representación en el diagrama energético de abajo.
Con el aporte energético de la luz, un electrón puede ser elevado desde un nivel de energía más bajo (llamado estado fundamental, EF) a un nivel de energía más alto (llamado el estado excitado, EE). El EE es de mayor energía que el EF, porque en el EE el electrón negativo está más lejos del núcleo atómico positivo. Vease una representación en el diagrama energético de abajo.
Figura 1. Diagramas que muestran cómo el aporte de energía eleva un electrón (e) desde EF para EE. Cuando el electrón en EE se relaja de nuevo al EF, se libera una cantidad idéntica de energía en forma de luz. Esto puede ocurrir de forma espontánea o con la estimulación por una otra onda de luz.
El electrón en el EE puede volver espontáneamente al EF y emitir una onda de luz de energía idéntica a la exigida en la transición desde EF para EE (acuérdese de la analogía del libro). Más relevante para el funcionamiento de un láser, sin embargo, es la emisión estimulada cuando una onda de luz viene y hace que el electrón en EE caiga al EF y emita una onda de luz. Tenemos ahora dos ondas de luz de energía idéntica (es decir, una es la que hace el desplazamiento, y la otra es derivada de los electrones cayendo). Estas dos ondas de luz pueden estimular aún más la emisión hasta producir un total de cuatro ondas de luz idénticas, y así sucesivamente. Mientras podemos excitar electrones desde el EF al EE (como se suele hacer con un campo eléctrico), habrá Amplificación de Luz por Emisión Estimulada de Radiación (en inglés: Light Amplified by Stimulated Emission of Radiation), es decir, L.A.S.E.R.
El láser produce un estrecho haz de luz en el cual cada onda de luz tiene la misma energía (es decir, la misma longitud de onda). Además, las intensidades de unas ondas se suman a las de otras, quedándose "en fase", como se muestra en la figura de abajo. Esto contrasta, por ejemplo, con la luz de una bombilla que emite ondas de luz que viajan en todas direcciones y con una serie de relaciones de fase (incluyendo las ondas de media longitud de onda fuera de fase que en realidad eliminan una a la otra). Como resultado de las ondas de luz precisamente orientadas, un haz de láser puede ser muy potente e incluso cortar el acero.
El láser produce un estrecho haz de luz en el cual cada onda de luz tiene la misma energía (es decir, la misma longitud de onda). Además, las intensidades de unas ondas se suman a las de otras, quedándose "en fase", como se muestra en la figura de abajo. Esto contrasta, por ejemplo, con la luz de una bombilla que emite ondas de luz que viajan en todas direcciones y con una serie de relaciones de fase (incluyendo las ondas de media longitud de onda fuera de fase que en realidad eliminan una a la otra). Como resultado de las ondas de luz precisamente orientadas, un haz de láser puede ser muy potente e incluso cortar el acero.
Figura 2. Esquema de un haz de luz de láser que muestra las ondas de luz que son (a) paralelas; (b) todas con la misma longitud de onda (donde la longitud de onda es la distancia de pico a pico) y, por tanto, con la misma energía; (c) todas “en fase” (picos y valles alineados uno encima del otro) de modo que cada onda se suma a la energía total del haz. En términos técnicos, el haz es colimado, monocromático y coherente.
La construcción de un láser es simple, sin partes móviles. Consiste en un tubo con espejos orientados hacia el interior en cada uno de los extremos. En el interior hay un material apropiado, como un cristal de rubí o un gas, tal como helio-neón o dióxido de carbono. Cuando los electrodos elevan un electrón al EE, la emisión espontánea crea una onda de luz. Esta onda de luz estimula aún más la emisión de luz, que, a su vez, estimula más y más la emisión de luz, y el proceso continúa siempre y cuando los electrones puedan ser excitados desde el EF al EE. La luz va y viene entre los espejos, y cada vez se van formando más ondas de luz. Uno de los espejos (que se muestra a la derecha en el diagrama) es semitransparente, de manera que permite que un pequeño porcentaje del haz salga. Para ejemplificar lo que es un espejo semitransparente, imagina una ventana sucia a través de la cual se puede ver el exterior pero que también refleja la imagen de tu rostro; el principio es el mismo. La luz que sale, el rayo láser, es muy útil en los reproductores de DVD, escáneres de códigos de barras, cirugías, corte y soldadura, y muchas otras aplicaciones.
Figura 3. Un diagrama altamente estilizado de un láser. Las ondas de luz (flechas de doble cabezas) se reflejan en los caminos de ida y vuelta entre un espejo normal (a la izquierda) y un espejo semitransparente (a la derecha). Cada vez que se reflejen, las ondas estimulan la emisión de luz a partir de electrones excitados desde el EF al EE a través de un electrodo (no mostrado). Una porción del haz de luz resultante se escapa a través del espejo semitransparente para ser utilizada en una multitud de aplicaciones.
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