Como Funciona o Diodo Laser (ART1891)

Os diodos LASER ou Lasers de injeção como também são conhecidos, são utilizados numa grande quantidade de dispositivos eletrônicos incluindo-se algumas aplicações muito interessantes, tais como os Laser Printers, leitores de código de barras e detectores de objetos em linhas de produção. Eles também são usados como referência no posicionamento de máquinas e em trenas eletrônicas. Como funcionam esses dispositivos e como empregá-los em algumas aplicações práticas é o que veremos neste artigo, que deve interessar aos leitores que precisam conhecer as mais recentes tecnologias.

Laser é luz, mas luz de uma natureza diferente. Para entender como funciona um diodo LASER os leitores devem ter antes urna noção do tipo de radiação que se obtém de um LASER e de como ela é produzida.

Assim, veremos inicialmente como funciona o LASER de um modo geral para depois chegar aos LASERs semicondutores ou diodos LASER.

LASER significa Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ou Amplificação de Luz por Emissão Estimulada de Radiação. Conforme o nome sugere, o LASER nada mais é do que um dispositivo que amplifica a luz, emitindo-a com características diferentes das fontes de luz como lâmpadas, LEDs, etc.

 

COMO FUNCIONA

Para efeitos didáticos vamos explicar como funciona um LASER tomando como exemplo o tipo tradicional que usa um bastão de rubi sintético e que pode ser representado de forma simplificada de acordo com a figura 1.

 

Figura 1 – O LASER de rubi
Figura 1 – O LASER de rubi

 

Nessa disposição, um bastão cilíndrico de rubi tem duas faces espelhadas, sendo uma mais grossa que a outra. O lado espelhado é o interno de modo que a luz ou radiação que seja produzida internamente ao dispositivo sofra reflexões nesses espelhos e, portanto, fique retida no seu interior.

Em torno do bastão de rubi é enrolado um tubo de xenônio, uma lâmpada semelhante às encontradas nos flashes fotográficos, porém mais potente, e que é alimentada por um circuito de descarga de alta tensão.

Quando uma descarga de alta tensão é produzida no tubo de flash ele emite um forte pulso de luz, que é absorvido pelos átomos do bastão de rubi. Essa absorção ocorre pelos elétrons em torno dos átomos do material (que consiste num óxido de alumínio), os quais saem de suas órbitas normais e passam para órbitas com níveis de energia mais elevados, conforme é representado na figura 2.

 

Figura 2 – Transições de níveis de energia dos elétrons
Figura 2 – Transições de níveis de energia dos elétrons

 

O pulso de luz precisa ser extremamente forte para que a maioria dos átomos de rubi tenha seus elétrons levados aos níveis superiores de energia, ou seja, para que haja uma "inversão de população".

A população dos elétrons que estão no nível normal de energia passa a ser menor do que a população dos elétrons que estão excitados ou no nível mais alto de energia. Esta condição é fundamental para que se obtenha o efeito LASER.

Entretanto, depois do flash, os elétrons não podem ficar indefinidamente nos níveis superiores de energia retendo a energia absorvida. Uma fração de segundo depois de absorvida a energia, os primeiros elétrons voltam ao seu nível original e, neste processo, devolvem a energia que absorveram.

Conforme a distância entre o nível original e o nível em que os elétrons estavam, temos a quantidade de energia devolvida no processo e, portanto, o comprimento de onda da radiação emitida, veja exemplo na figura 3.

 

Figura 3 – Quando os elétrons voltam aos níveis mais baixos de energia eles devolvem a energia absorvida
Figura 3 – Quando os elétrons voltam aos níveis mais baixos de energia eles devolvem a energia absorvida

 

Um salto de energia maior significa luz de menor comprimento de onda ou maior frequência.

O fóton de energia, que pode ser luz visível ou em outra frequência do espectro, mas sempre de frequência única, tem como efeito estimular os outros elétrons do material que estejam no nível mais alto de energia, fazendo com que eles também tendam a “devolver” a energia absorvida.

Assim, “batendo” num elétron próximo, o fóton provoca a devolução de um novo fóton e passamos a ter dois fótons emitidos dentro do material.

Dois fótons podem “bater” em dois novos elétrons obrigando-os a descer de nível de energia e, consequentemente, à emissão de mais dois fótons.

Os quatro fótons produzem oito e tudo isso num processo em cadeia muito rápido, conforme mostra a figura 4.

 

Figura 4 – Processo de estímulo em cadeia
Figura 4 – Processo de estímulo em cadeia

 

Os fótons que tendem a escapar pelas faces do material não o fazem inicialmente, voltando para o interior do mesmo de modo a acelerar o processo, pois as faces do rubi são espelhadas.

O efeito é explosivo e numa fração de segundo todos os elétrons são obrigados a devolver a energia absorvida de uma forma quase que sincronizada emitindo fótons com a mesma frequência. A concentração dessa energia é tal que os espelhamentos já não conseguem mais reter o feixe de fótons produzidos e ele "escapa" pelo lado mais fino na forma de um feixe de radiação estreito, concentrado e monocromático, observe a figura 5.

 

Figura 5 – Produção de feixe estreito de luz
Figura 5 – Produção de feixe estreito de luz

 

Este é o feixe LASER que tem características especiais que diferenciam a sua radiação da luz comum. No exemplo que demos, temos um LASER pulsante, pois a emissão deve ser feita com a produção de pulsos intervalados do flash para que os elétrons absorvam e devolvam a energia.

No entanto, e possível obter o mesmo efeito de forma contínua em LASERs a gás e do tipo de injeção, mas o princípio de funcionamento é o mesmo.

 

UMA RADIAÇÃO DIFERENTE

A radiação emitida é luz, e sua cor depende do comprimento de onda ou da energia dos fótons. No caso do rubi, essa radiação está no espectro visível, aparecendo na forma de um feixe fino de luz vermelha.

Contudo, a radiação emitida pelo LASER tem características próprias que a diferenciam da luz comum, como:

 

a) Monocromática

Os "saltos" dos elétrons na devolução da energia ocorrem entre níveis bem definidos de energia. Isso significa que a radiação emitida tem uma frequência única que determina a cor da luz, se ela estiver no espectro visível.

É claro que a radiação também pode estar na faixa do infravermelho e mesmo do ultravioleta, dependendo apenas das características do material usado. Os LASERs mais comuns atualmente são os que operam nas faixas do infravermelho e visível entre o vermelho e o verde.

Assim, diferentemente de uma lâmpada incandescente que possui um espectro amplo onde radiações de muitos comprimentos de onda ou cores se misturam, a radiação LASER tem um espectro estreito conforme ilustra a figura 6.

 

Figura 6 – Espectro de emissão de algumas fontes
Figura 6 – Espectro de emissão de algumas fontes

 

Podemos comparar uma lâmpada comum a um circuito que gera um ruído que preenche toda urna faixa do espectro, e o LASER a um circuito sintonizado que emite sinais de frequência única.

 

b) Coerente

Os LASERs são especificados normalmente como fontes coerentes de luz, ou seja, aquelas em que a radiação é emitida segundo um feixe muito estreito e com fase regular e numa faixa muito estreita de frequências. Na prática, entretanto, isso não ocorre e a maioria dos LASERs comuns apenas se aproximam do que seria uma fonte coerente ideal. De qualquer forma, mesmo não sendo fonte absolutamente coerente, o LASER pode ser considerado como tal quando comparado a outras fontes comuns de radiação.

 

c) concentrada

Além da radiação do LASER ser emitida num feixe muito estreito, ou seja, com uma abertura muito pequena, ela concentra uma grande quantidade de energia.

Desse modo, se a quantidade de energia absorvida em um segundo (que seria a duração do pulso do flash excitador for de 1 watt, se o processo de emissão posterior na forma de LASER durar 1 milionésimo de segundo, ele corresponderá a uma potência instantânea de 1 milhão de watts.

Divide-se o tempo por 1 milhão para se multiplicar a potência por 1 milhão.

Isso explica porque o feixe de LASER pode furar uma chapa de aço. Um feixe que concentre de forma contínua tamanha potência e numa superfície muito pequena gera calor suficiente para vaporizar um material duro como o ferro. É claro que a maioria dos LASERs comuns, principalmente os tipos de uso doméstico e de aparelhos eletrônicos como, por exemplo, um CD-player possuem potências que se medem em frações de watts e, por isso, não podem ter efeitos destrutivos consideráveis. No entanto, a energia concentrada num feixe muito estreito pode ter efeitos prejudiciais para a visão. Células sensíveis de nosso olho podem ser destruídas se observarmos diretamente um feixe de LASER.

O rótulo de PERIGO que acompanha qualquer dispositivo que emita radiação LASER não é uma brincadeira. Veja a figura 7.

 

Figura 7 – Alerta sobre o perigo da Radiação Laser
Figura 7 – Alerta sobre o perigo da Radiação Laser

 

 

UM MITO

Muitas pessoas acham que é possível observar um feixe de LASER lateralmente, ou seja, que ele é visível como uma fina linha que deixa a fonte, de acordo com a figura 8.

 

Figura 8 – É possível observar um feixe de LASER?
Figura 8 – É possível observar um feixe de LASER?

 

Na verdade isso não acontece. Para que a luz seja visível ela precisa iluminar alguma coisa.

Assim, o feixe só se torna visível, como ocorre com o feixe de luz de um farol de automóvel, se ele passar por um meio que tenha partículas em suspensão como, por exemplo, poeira, neblina ou fumaça.

 

LASER SEMICONDUTOR

Um tipo de laser que é bastante comum nas aplicações eletrônicas é o LASER semicondutor. Pequeno, fácil de ser fabricado, necessitando pouca potência para ser alimentado, ele pode ser usado em inúmeras aplicações tais como leitores de código de barras, DVDs e CD-players, trenas eletrônicas, indicadores de nível, sensores industriais e muitas outras.

Na figura 9 temos a estrutura básica de um LASER semicondutor.

 

   Figura 9 – Estrutura de um LASER semicondutor
Figura 9 – Estrutura de um LASER semicondutor

 

 

O princípio de funcionamento lembra muito o dos LEDs, uma vez que o mesmo material é usado na sua construção: Arseneto de Gálio ou GaAs.

Existem diversas formas de se estimular o material semicondutor de modo a provocar a emissão de luz.

A mais utilizada é forçar a circulação de uma forte corrente no sentido direto de modo que ela circule pela junção PN da estrutura indicada.

A diferença básica em relação ao LED comum é que não temos a emissão descontrolada de luz, mas sim a existência de uma câmara de ressonância com os espelhamentos que permitem obter o efeito da inversão da população dos átomos excitados e, depois, a emissão controlada pela volta dos elétrons aos níveis normais de energia.

Uma das grandes vantagens dos LASERs semicondutores é que a natureza do material determina o comprimento de onda da emissão, ou seja, a cor da luz. Isso significa que podem ser fabricados LASERs com emissões de diversas cores ou comprimentos de onda.

Os primeiros tipos que apareceram eram de infravermelho e caros. Com o tempo além do barateamento, foi possível obter comprimentos de onda menores passando ao vermelho, que se tornaram populares com os Laser Pointers, como o representado na figura 10.

 

Figura 10 – Um LASER Pointer
Figura 10 – Um LASER Pointer

 

Os pequenos módulos dos LASER pointers que contêm uma fonte de corrente constante para a excitação dos diodos têm preços bastante acessíveis e podem ser usados numa infinidade de aplicações práticas.

 

USOS

Além do uso como LASER pointer, que consiste na aplicação imediata (que deve ser analisada com cautela dado o perigo que a radiação representa se incidir diretamente nos olhos das pessoas), existem as aplicações na indústria e em equipamentos de consumo. Nos equipamentos de consumo, por exemplo, os LASERs semicondutores fornecem o feixe que, incidindo na superfície de um CD ou de um DVD, iluminam os "pits" e "lands" que correspondem aos bits gravados, fornecendo por reflexão o sinal para um fotodiodo sensor.

Nas leituras de código de barras um feixe de LASER varre rapidamente as etiquetas dos caixas de supermercados e outros estabelecimentos, fornecendo os códigos gravados a um sensor óptico (por reflexão).

Na indústria os LASERs são empregados em muitas máquinas como elementos fornecedores do sinal para sensores, por exemplo na leitura de rotação ou movimento de peças, passagem de objetos por linhas de produção, etc.

Outra aplicação importante é na medida e detecção de posição. O posicionamento de uma máquina em nível pode ser feito de forma muito mais precisa utilizando-se um feixe de LASER como referência.

Um LASER modulado pode ser refletido por uma parede e detectado por um fotodiodo. Pela medida da defasagem do sinal, conforme ilustra a figura 11, pode-se ter a indicação exata da distância entre os dois.

 

Figura 11 – Medindo distâncias com o LASER
Figura 11 – Medindo distâncias com o LASER

 

Este é o princípio de funcionamento das trenas eletrônicas que operam com LASER. Observamos que o mesmo tipo de equipamento pode ser feito também com base em ultrassons.

Finalmente temos a utilização do LASER modulado para fornecer os sinais que atravessam as fibras ópticas. Um link a LASER capaz de operar com frequências de transmissão de terabytes por segundo foi recentemente (2001) testado nos Estados Unidos, utilizando fibras ópticas.

 

 

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