Laser

Emissão estimulada

Um átomo possui estados de energia discretos. A absorção de um fóton pode levar o átomo de um estado inferior a outro superior quando a energia do fóton corresponde à diferença entre os níveis, dentro da largura da transição. Colisões e outros mecanismos também podem transferir energia ao átomo. Em sólidos, a interação com vibrações da rede, quantizadas como fônons, participa de processos de relaxação e pode alargar as faixas de absorção e emissão.

Uma partícula excitada pode emitir radiação espontaneamente ou por estímulo de um campo incidente. Na emissão espontânea, o evento não requer um sinal óptico aplicado. Na emissão estimulada, a energia da transição é acrescentada ao modo do campo que a induziu, mantendo uma relação de fase com ele. Em equilíbrio térmico, a absorção é compensada pela soma da emissão espontânea e da emissão estimulada.

O bombeamento de um laser mantém partículas no estado superior da transição. A luz emitida espontaneamente pode iniciar a oscilação, mas a amplificação por emissão estimulada favorece a radiação nos modos sustentados pelo sistema óptico. A coerência da saída depende dessa amplificação e da dinâmica do laser.

Modelo simples

O modelo de Albert Einstein para a interação entre matéria e radiação usa estados atômicos estacionários com energias definidas, como no modelo de Bohr. Einstein introduziu coeficientes de probabilidade para absorção, emissão estimulada e emissão espontânea, relacionando-os à distribuição de radiação térmica da lei de Planck.

Para dois níveis com energias ${\displaystyle E_{b}>E_{a}}$, a frequência da transição satisfaz ${\displaystyle h\nu =E_{b}-E_{a}}$. Seja ${\displaystyle \rho (\nu ,T)}$ a densidade espectral de energia da radiação. A taxa de absorção por partícula no nível inferior é proporcional a ${\displaystyle B_{ab}\rho (\nu ,T)}$, e a de emissão estimulada por partícula no nível superior, a ${\displaystyle B_{ba}\rho (\nu ,T)}$. O coeficiente ${\displaystyle A_{ba}}$ dá a taxa de emissão espontânea, que não depende da intensidade de um campo aplicado. Em equilíbrio termodinâmico, as populações ${\displaystyle N_{a}}$ e ${\displaystyle N_{b}}$ satisfazem:

$${\displaystyle N_{a}B_{ab}\rho (\nu ,T)=N_{b}\left[A_{ba}+B_{ba}\rho (\nu ,T)\right].}$$

O bombeamento rompe esse equilíbrio. Para que a emissão estimulada supere a absorção na transição, é necessário que ${\displaystyle N_{b}B_{ba}>N_{a}B_{ab}}$. No caso simples de níveis com a mesma degenerescência, isso corresponde a ${\displaystyle N_{b}>N_{a}}$, uma inversão de população. O bombeamento óptico direto de apenas dois níveis não mantém essa condição em regime estacionário, razão pela qual muitos lasers usam níveis adicionais para transferir e armazenar população.

Sistemas de três e quatro níveis

Em um sistema de dois níveis bombeado diretamente por luz ressonante, a ocupação crescente do nível superior também aumenta a emissão estimulada. No modelo mais simples, o bombeamento intenso aproxima as populações da igualdade, sem produzir uma inversão estacionária. Esquemas de três ou quatro níveis contornam essa limitação.

Em um sistema de três níveis, o bombeamento leva partículas do estado fundamental a um nível superior de curta duração. Elas relaxam rapidamente para o nível laser superior, que pode ser metaestável. A transição laser retorna ao estado fundamental. Como esse estado também é o nível laser inferior, é necessário retirar dele uma fração elevada da população antes de estabelecer a inversão. O laser de rubi é um exemplo desse esquema.

Em um sistema de quatro níveis, a transição laser termina em um nível acima do estado fundamental. Esse nível inferior esvazia-se rapidamente, enquanto o nível laser superior acumula população. Isso permite obter inversão com uma população excitada menor. Esses esquemas simplificados não abrangem todos os mecanismos de emissão laser, como o dos lasers de elétrons livres ou o da ação laser sem inversão.

• 
  Sistema de três níveis. A transição laser termina no estado fundamental.
• 
  Sistema de quatro níveis. O nível laser inferior perde rapidamente sua população para o estado fundamental.

Meio de ganho e cavidade

O meio de ganho recebe energia de uma fonte externa. Conforme o tipo de laser, a excitação pode ocorrer por absorção de luz, descarga elétrica, injeção de portadores em um semicondutor ou reação química. O material ativo pode ser um gás, um líquido, um sólido ou um plasma, com composição e geometria escolhidas para obter ganho nas condições desejadas.

A absorção da energia de bombeamento altera a população dos estados quânticos do meio. Nas transições usuais de lasers atômicos ou moleculares, a inversão de população permite que a emissão estimulada supere a absorção. Os esquemas de três ou mais níveis facilitam a manutenção dessa condição, permitindo alimentar o nível laser superior e esvaziar o inferior.

Um material com ganho óptico pode funcionar como amplificador óptico. A realimentação por um ressonador permite que esse amplificador oscile quando o ganho supera as perdas. A simples presença de um amplificador em uma cavidade não basta: o bombeamento e a realimentação precisam alcançar o limiar laser.

Em meios de ganho muito elevado, a emissão espontânea amplificada, também chamada de superluminescência, pode produzir uma emissão intensa em uma única passagem, sem ressonador. Isso ocorre em certas configurações de laser de nitrogênio. A saída de um amplificador desse tipo pode ser direcional, mas não tem necessariamente a seleção de modos e a coerência de um oscilador laser. A amplificação em uma passagem também é pertinente aos masers e lasers astrofísicos.

A cavidade óptica típica é um ressonador aberto de espelhos. A luz percorre repetidamente o meio de ganho até sair pelo acoplador ou ser perdida por absorção, espalhamento ou difração. Quando o ganho por percurso supera as perdas, a intensidade intracavidade cresce. A emissão estimulada transfere partículas do nível laser superior para o inferior, que não precisa ser o estado fundamental, e reduz o ganho disponível.

Com o aumento da intensidade, o ganho satura. No modelo clássico de operação estacionária, ele se ajusta aproximadamente às perdas: o ganho líquido por percurso fica próximo de zero, ou, em termos multiplicativos, a amplificação total por volta fica próxima da unidade. A potência de bombeamento, a saturação e as perdas determinam a potência de saída. Abaixo do limiar, o ganho não sustenta uma oscilação laser.

O ressonador seleciona os campos que se reproduzem depois de um percurso completo. Os modos longitudinais correspondem a frequências compatíveis com sua condição de ressonância. Os modos transversais diferem pela distribuição do campo no plano perpendicular ao eixo. Uma distribuição transversal pode existir em muitos modos longitudinais. Espelhos, aberturas e elementos intracavidade podem favorecer um único modo ou permitir operação multimodo.

Luz emitida

Na maioria dos osciladores laser, a emissão espontânea inicia o campo que é amplificado. A emissão estimulada acrescenta energia aos modos presentes, com relações de fase determinadas pela interação entre o campo e o meio. A filtragem do ressonador e a dinâmica da amplificação determinam a coerência, a largura espectral e a polarização da saída. A largura de linha laser pode ser muito menor que a largura da ressonância da cavidade passiva. Alguns sistemas empregam semeadura por injeção, recebendo luz de outro laser para iniciar ou controlar a oscilação e estreitar o espectro.

Em 1963, Roy Glauber desenvolveu a formulação quântica dos estados coerentes e incoerentes do campo de radiação. Em um estado coerente ideal, o número de fótons segue uma distribuição de Poisson. Esse é um modelo útil para muitos lasers operando bem acima do limiar, mas não uma descrição exata de qualquer emissão laser: ruído técnico, modulação e outras condições podem alterar as estatísticas.

Muitos lasers produzem um feixe próximo de um feixe de Gauss, enquanto outros oscilam em mais de um modo transversal. Modos de ressonadores usuais podem ser expressos por funções de Hermite-Gauss ou Laguerre-Gauss. Existem também feixes de topo plano e ressonadores instáveis que produzem distribuições com estrutura fractal. Sistemas ópticos podem preparar perfis como feixes de Bessel e vórtices ópticos.

Na cintura de um feixe gaussiano, a frente de onda é plana e o raio do feixe é mínimo. Isso não significa que um feixe fortemente focalizado permaneça colimado. Na aproximação paraxial, o semiângulo de divergência de um feixe gaussiano ideal no vácuo é ${\displaystyle \theta =\lambda /(\pi w_{0})}$, e seu comprimento de Rayleigh é ${\displaystyle z_{R}=\pi w_{0}^{2}/\lambda }$, onde ${\displaystyle w_{0}}$ é o raio da cintura medido no nível de intensidade ${\displaystyle 1/e^{2}}$. Uma cintura menor produz maior divergência. A colimação por distâncias grandes costuma exigir a expansão do feixe.

A emissão de um laser díodo pode sair do cristal com grande divergência. Um sistema de lentes pode colimá-la, como nos apontadores laser. A divergência e o diâmetro final de um feixe lançado a grande distância dependem de sua cintura, do comprimento de onda, da qualidade óptica e dos elementos usados para expandi-lo. A coerência espacial permite obter feixes estreitos sem descartar a maior parte da potência, como seria necessário com muitas fontes incoerentes.

Um perfilômetro de feixe laser mede a distribuição de intensidade, a largura e a divergência. A reflexão difusa da luz laser em uma superfície rugosa pode produzir um padrão granular de interferência, decorrente da superposição de ondas espalhadas por diferentes pontos da superfície.

Processos de emissão quânticos e clássicos

Nos lasers que usam transições atômicas ou moleculares, o meio fornece energia à radiação por emissão estimulada. Os coeficientes de Einstein relacionam as taxas de absorção e emissão ao campo de radiação e às populações dos estados. O coeficiente ${\displaystyle A_{21}}$ dá a taxa de emissão espontânea do nível 2 para o nível 1. Os coeficientes ${\displaystyle B_{21}}$ e ${\displaystyle B_{12}}$ precisam ser multiplicados pela densidade espectral de energia para fornecer, respectivamente, as taxas de emissão estimulada e absorção por partícula.

Uma descrição semiclássica combina estados quânticos da matéria com um campo eletromagnético clássico e explica muitos aspectos do funcionamento do laser. A descrição quântica do próprio campo é necessária para tratar integralmente suas flutuações e estatísticas de fótons. Já os lasers de elétrons livres extraem energia do movimento de elétrons relativísticos, sem usar transições entre níveis eletrônicos ligados de átomos ou moléculas.

Operação em onda contínua

Um laser de onda contínua, ou CW, do inglês continuous wave, mantém emissão durante o funcionamento. Isso não exige que a potência instantânea seja perfeitamente constante em todas as escalas de tempo. Lasers multimodo podem apresentar batimentos entre frequências longitudinais próximas, cuja separação depende do intervalo espectral livre da cavidade. Quando observada em intervalos maiores que essas oscilações, a potência pode parecer estável.

Na operação contínua, o bombeamento repõe a população do nível laser superior à medida que a emissão e a relaxação a esvaziam. A remoção de calor precisa impedir que o meio e os elementos ópticos sejam danificados. Certos meios ou configurações não permitem manter esse equilíbrio com eficiência, tornando mais adequada a operação pulsada. Lasers com bloqueio de modos podem ser bombeados continuamente, embora sua saída seja um trem de pulsos.

Operação pulsada

Na operação pulsada, a energia óptica é emitida em pulsos com duração e taxa de repetição determinadas pelo sistema. Alguns lasers são pulsados porque a excitação ou a dinâmica de seus níveis não permite emissão contínua nas condições usadas. Em outros, a aplicação exige concentrar energia em um intervalo curto.

Para um trem regular de pulsos iguais, a energia de cada pulso é a potência média dividida pela taxa de repetição. Reduzir essa taxa pode permitir o armazenamento de mais energia entre pulsos, dentro dos limites do meio e do bombeamento. Na ablação por laser, por exemplo, o fornecimento rápido de energia pode remover material antes que o calor se espalhe amplamente pelo restante da peça. O mesmo depósito de energia ao longo de um tempo maior pode produzir um resultado diferente.

Outras aplicações dependem da potência de pico, em especial para obter efeitos de óptica não linear. Para uma energia de pulso dada, encurtar a duração eleva a potência de pico. Técnicas como Q-switching e bloqueio de modos produzem pulsos em escalas temporais diferentes.

A duração do pulso e sua largura espectral obedecem a uma relação de Fourier. O produto mínimo depende do formato do pulso e da definição usada para medir as larguras. Para larguras de intensidade medidas à meia altura, um pulso gaussiano limitado pela transformada tem ${\displaystyle \Delta \nu \Delta t\simeq 0{,}44}$, enquanto um pulso com perfil ${\displaystyle \mathrm {sech} ^{2}}$ tem produto próximo de 0,315. Essa relação é clássica, embora seja matematicamente semelhante a relações de incerteza da mecânica quântica.

Pulsos de poucos femtossegundos exigem uma faixa espectral ampla. Meios como certos corantes e cristais vibrônicos, entre eles a safira dopada com titânio, fornecem ganho sobre uma faixa suficiente para produzir esses pulsos.

Bloqueio de modos

Ver artigo principal: Bloqueio de modos

No bloqueio de modos, modos longitudinais mantêm relações de fase que fazem a intensidade concentrar-se em pulsos curtos. No regime fundamental, a repetição corresponde ao tempo de uma volta completa na cavidade. Conforme o meio e a técnica, as durações podem ir de picossegundos a poucos femtossegundos.

A faixa de ganho precisa sustentar o espectro do pulso. O Ti:safira, baseado em safira sintética dopada com titânio, permite pulsos de poucos femtossegundos por sua grande largura de ganho. Esses lasers são usados em femtoquímica, ciência ultrarrápida, geração de segundo harmônico, conversão paramétrica descendente e outros experimentos de óptica não linear.

O bloqueio de modos não significa que o campo elétrico de cada pulso seja idêntico ao do seguinte. A envoltória pode repetir-se enquanto a fase da onda portadora desliza em relação a ela entre pulsos. O controle dessa fase portadora-envoltória é necessário em aplicações que exigem a repetição da forma do campo elétrico, além da repetição da intensidade.

Bombeamento pulsado

Outra maneira de produzir pulsos consiste em bombear o material com uma fonte pulsada, como uma lâmpada de flash ou outro laser. Nos sistemas com lâmpadas, capacitores podem armazenar a energia que será liberada na descarga. Essa técnica foi muito usada em lasers de corante e de estado sólido.

A duração da excitação, os tempos de vida dos níveis e o acúmulo de população no nível laser inferior podem limitar a emissão a pulsos, como em configurações usuais de excímero e vapor de cobre. Isso não permite concluir que todo laser de três níveis só funcione de modo pulsado. Há demonstrações de lasers de rubi em onda contínua, incluindo bombeamento por diodo à temperatura ambiente.

Fundamentos

Em 1917, Albert Einstein publicou Zur Quantentheorie der Strahlung, "Sobre a teoria quântica da radiação", relacionando a lei de Planck aos coeficientes de absorção, emissão espontânea e emissão estimulada. Esse tratamento forneceu uma das bases teóricas do laser e do maser. Em 1928, Rudolf W. Ladenburg investigou a absorção negativa relacionada à emissão estimulada. Em 1939, Valentin A. Fabrikant propôs usar a emissão estimulada para amplificar ondas eletromagnéticas curtas.

Em 1947, Willis E. Lamb e R. C. Retherford empregaram transições induzidas por micro-ondas em seus experimentos sobre a estrutura do hidrogênio. Em 1950, Alfred Kastler propôs o bombeamento óptico, método demonstrado experimentalmente por Brossel, Kastler e Winter em 1952. Kastler recebeu o Nobel de Física de 1966 por seus métodos ópticos para estudar ressonâncias em átomos.

Maser

Em 1951, Joseph Weber submeteu um trabalho sobre amplificação de micro-ondas por emissão estimulada a uma conferência do Institute of Radio Engineers realizada em junho de 1952, em Ottawa, no Canadá. Depois da apresentação, a RCA convidou-o a dar um seminário sobre a ideia, e Charles H. Townes pediu uma cópia do trabalho.

Em 1954, Townes, James P. Gordon e Herbert J. Zeiger demonstraram um maser de amônia. Um campo elétrico selecionava moléculas excitadas de um feixe molecular e as conduzia a uma cavidade de micro-ondas. A chegada contínua dessas moléculas permitia sustentar a oscilação. O aparelho amplificava e gerava micro-ondas pelo mesmo princípio de emissão estimulada que seria empregado no laser.

Na União Soviética, Nicolay Basov e Aleksandr Prokhorov desenvolveram de forma independente ideias sobre osciladores e amplificadores quânticos. O uso de mais de dois níveis de energia permitia alimentar o nível superior da transição e retirar população do inferior. Em 1955, propuseram o bombeamento óptico de um sistema de níveis adicionais para obter inversão de população.

Townes contou que Niels Bohr, John von Neumann e Llewellyn Thomas chegaram a argumentar que o maser contrariava o princípio da incerteza de Heisenberg. Isidor Rabi e Polykarp Kusch duvidavam de sua viabilidade prática. Em 1964, Townes, Basov e Prokhorov dividiram o Prêmio Nobel de Física pelo trabalho em eletrônica quântica que levou a osciladores e amplificadores baseados no princípio maser-laser.

• 
  Aleksandr Prokhorov.
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  Charles H. Townes.

Laser

Em abril de 1957, o engenheiro japonês Jun-ichi Nishizawa propôs um "maser óptico semicondutor" em um pedido de patente. Nesse ano, Charles H. Townes e Arthur Leonard Schawlow começaram a estudar a extensão do princípio do maser ao infravermelho e à região óptica.

Gordon Gould, então pós-graduando da Universidade Columbia, trabalhava em uma tese sobre níveis de energia do tálio excitado. Ele e Townes conversaram sobre emissão de radiação, sem discutir em detalhe os projetos que desenvolviam. Em novembro de 1957, Gould anotou ideias para construir um laser, incluindo o uso de um ressonador aberto. Seu caderno continha um esquema de bombeamento óptico, o termo "laser" e propostas de aplicações.

Em 1958, os Bell Labs apresentaram um pedido de patente para o maser óptico proposto por Schawlow e Townes. Os dois publicaram seus cálculos na Physical Review. Prokhorov também propôs, de forma independente, o uso de um ressonador aberto.

As anotações de Gould incluíam aplicações em telecomunicações ópticas, espectroscopia, interferometria, radar e fusão nuclear. Ele apresentou um pedido de patente em abril de 1959. O Escritório de Patentes e Marcas dos Estados Unidos rejeitou o pedido e concedeu uma patente aos Bell Labs em 1960. A disputa por direitos sobre tecnologias laser durou décadas. Gould obteve em 1977 uma patente para amplificadores laser bombeados opticamente e venceu uma ação por violação de patente em 1987. As propostas teóricas, os primeiros aparelhos e as patentes envolveram pessoas e equipes diferentes, o que deu origem a disputas sobre a atribuição da invenção.

Em 16 de maio de 1960, Theodore H. Maiman operou o primeiro laser funcional no Hughes Research Laboratories, em Malibu, Califórnia. O aparelho usava um cristal sintético de rubi bombeado por uma lâmpada de flash e emitia luz vermelha de cerca de 694 nm em pulsos. Maiman chegou a esse resultado antes das equipes de Townes na Universidade Columbia, Schawlow nos Bell Labs e Gould na Technical Research Group.

Ainda em 1960, Ali Javan, William R. Bennett Jr. e Donald R. Herriott construíram um laser a gás com hélio e neônio, capaz de operar continuamente no infravermelho. O trabalho foi publicado em fevereiro de 1961. Em 1962, Robert N. Hall demonstrou um laser semicondutor de arseneto de gálio, com emissão no infravermelho próximo, por volta de 850 nm. Nick Holonyak Jr. demonstrou naquele ano um laser semicondutor com emissão visível. Esses primeiros dispositivos exigiam condições como operação pulsada e resfriamento criogênico.

Em 1964, C. Kumar N. Patel demonstrou a ação laser contínua em transições vibracionais e rotacionais do dióxido de carbono. O laser de dióxido de carbono foi empregado em aplicações industriais e médicas. Em 1970, as equipes de Jores Alfiorov, na União Soviética, e de Izuo Hayashi e Morton Panish, nos Bell Labs, demonstraram de forma independente lasers semicondutores de heterojunção com operação contínua à temperatura ambiente.

Inovações posteriores

O desenvolvimento dos lasers passou a buscar diferentes combinações de desempenho, como:

• novas faixas de comprimento de onda;
• maior potência média de saída;
• maior energia por pulso;
• maior potência de pico;
• menor duração de pulso;
• menor largura de linha;
• maior eficiência energética;
• menor custo de fabricação e operação.

Em 2015, pesquisadores demonstraram um laser branco monolítico baseado em uma nanofolha semicondutora com regiões capazes de emitir no vermelho, no verde e no azul. O dispositivo permitia controlar a combinação das três emissões.

Em 2017, uma equipe da Universidade Técnica de Delft demonstrou emissão coerente de micro-ondas baseada em uma junção Josephson CA. O dispositivo supercondutor, chamado de laser de junção Josephson no artigo, foi proposto para uso em circuitos quânticos.

Naquele ano, pesquisadores da Universidade Técnica de Munique demonstraram que um laser semicondutor de nanofio podia emitir pares de pulsos de picossegundos com coerência de fase mútua. Os intervalos entre os pulsos correspondiam a frequências de até 200 GHz.

Também em 2017, pesquisadores do Physikalisch-Technische Bundesanstalt e do JILA demonstraram lasers em 1,5 μm estabilizados por cavidades de silício mantidas a 124 K. Foram obtidas larguras de linha abaixo de 10 mHz, chegando a cerca de 5 mHz. A estabilidade resultava da referência óptica e de seu controle, não apenas do meio laser.

Em 2018, o Prêmio Nobel de Física foi dividido entre Arthur Ashkin, por suas pinças ópticas e aplicações a sistemas biológicos, e Gérard Mourou e Donna Strickland, pela geração de pulsos ópticos ultracurtos de alta intensidade. Na amplificação de pulso com varredura de frequência, ou CPA, desenvolvida por Mourou e Strickland, o pulso é alongado antes da amplificação e comprimido depois dela. A redução da potência de pico durante a amplificação evita danos que ocorreriam com o pulso já comprimido.

Em 2023, Pierre Agostini, Ferenc Krausz e Anne L'Huillier receberam o Nobel de Física pelo desenvolvimento de métodos de geração de pulsos de attossegundos para estudar a dinâmica dos elétrons. Esses métodos usam a interação de pulsos laser intensos com a matéria para produzir radiação em frequências mais altas e em intervalos temporais muito curtos.

Na Instalação Nacional de Ignição, um experimento de 5 de dezembro de 2022 produziu 3,15 MJ de energia de fusão a partir de 2,05 MJ de energia laser entregue ao alvo. Em 7 de abril de 2025, outro experimento produziu 8,6 MJ de fusão com 2,08 MJ de energia laser, um ganho no alvo superior a quatro. Essa comparação usa a energia óptica entregue ao alvo e não o consumo elétrico total da instalação, portanto não equivale a um balanço positivo de uma usina elétrica.

Lasers a gás

Depois do laser de hélio-neônio, foram desenvolvidos lasers com outros gases e misturas, excitados por descargas elétricas ou por outros processos. O laser de hélio-neônio pode emitir em diferentes comprimentos de onda, embora muitos aparelhos de laboratório sejam projetados para a linha vermelha próxima de 633 nm.

O laser de dióxido de carbono usa uma mistura gasosa na qual moléculas de CO₂ fornecem o ganho. A emissão mais comum é próxima de 10,6 μm, mas existem outras linhas entre aproximadamente 9 e 11 μm. Sistemas industriais podem fornecer de dezenas de watts a muitos quilowatts. A eficiência de conversão de potência elétrica em luz pode ficar em torno de 10% a 20%, dependendo da configuração. Esses lasers são usados em corte, soldagem e cirurgia.

Lasers de íons de argônio possuem linhas de emissão no ultravioleta e no visível. Entre as mais usadas estão 458, 488 e 514,5 nm. Conforme a seleção óptica, uma ou mais linhas podem oscilar. Um laser de nitrogênio com descarga transversal à pressão atmosférica, ou laser TEA, pode produzir pulsos ultravioletas em 337,1 nm.

Lasers de íons metálicos também podem emitir no ultravioleta profundo. Hélio-prata, em cerca de 224 nm, e neônio-cobre, em cerca de 248 nm, são exemplos. Fontes desse tipo podem apresentar largura de linha inferior a 3 GHz, aproximadamente 0,5 pm nessa região espectral, e são empregadas em espectroscopia Raman com menor interferência da fluorescência.

A ação laser sem inversão explora coerências entre estados quânticos para reduzir a absorção e permitir ganho sem a inversão populacional convencional. Experimentos com gases de sódio e rubídio foram realizados na década de 1990. Campos auxiliares controlam caminhos de transição que podem interferir destrutivamente na absorção.

Lasers de estado sólido

Lasers de estado sólido usam cristais ou vidros dopados com íons que fornecem as transições de emissão. O primeiro laser funcional usava rubi, um coríndon dopado com cromo. O bombeamento é geralmente óptico, por lâmpadas ou outros lasers. No vocabulário da área, a categoria costuma excluir os lasers semicondutores, apesar de seu meio ativo também ser sólido.

O neodímio é usado em cristais como Nd:YAG, baseado em granada de ítrio e alumínio, Nd:YVO₄ e Nd:YLF. As linhas usuais de Nd:YAG e Nd:YVO₄ ficam próximas de 1.064 nm. Nd:YLF possui linhas próximas de 1.047 e 1.053 nm, selecionadas conforme a polarização.

Esses lasers são usados em corte, soldagem, marcação, espectroscopia e bombeamento de outros meios. A radiação de 1.064 nm pode ser convertida por duplicação, triplicação ou quadruplicação de frequência para produzir aproximadamente 532, 355 e 266 nm. Apontadores verdes e alguns aparelhos médicos usam lasers de estado sólido bombeados por diodo com conversão de frequência.

Itérbio, hólmio, túlio e érbio também são dopantes usados em lasers de estado sólido. Cristais como Yb:YAG, Yb:KGW, Yb:KYW, Yb:SYS, Yb:BOYS e Yb:CaF₂ emitem na região de 1 μm. A pequena diferença entre a energia dos fótons de bombeamento e de emissão reduz a geração de calor por esse mecanismo. Yb:YAG é empregado em sistemas de alta potência média e em amplificadores de pulsos ultracurtos.

Lasers de YAG dopado com hólmio emitem perto de 2,1 μm, faixa fortemente absorvida pela água. Sistemas Ho:YAG pulsados podem entregar a energia por fibras ópticas e são usados em procedimentos cirúrgicos, incluindo fragmentação de cálculos urinários. A safira dopada com titânio, ou Ti:safira, tem uma faixa de ganho ampla, que permite sintonização e pulsos de poucos femtossegundos.

Osciladores paramétricos ópticos convertem a radiação de bombeamento em outros comprimentos de onda, ampliando as faixas acessíveis a partir de lasers de estado sólido. Algumas configurações produzem comprimentos de onda que não atingem a retina com a mesma facilidade que a luz visível. Isso não elimina o risco de lesões na córnea ou em outros tecidos.

A parcela da energia de bombeamento convertida em calor pode produzir gradientes de temperatura, distorção óptica e lente térmica. Lasers de disco fino usam um meio muito mais fino que o diâmetro da região bombeada, facilitando a retirada de calor pela face do disco. Uma demonstração de Yb:YAG com 1 kW de potência de saída foi publicada em 2000.

Lasers de fibra

Lasers de fibra e amplificadores de fibra usam um meio de ganho que também guia a luz. A fibra óptica permite uma região ativa longa, com grande área superficial em relação ao volume, o que facilita o resfriamento. As propriedades de guia de onda reduzem certos efeitos de distorção térmica, embora possam existir modos transversais adicionais em fibras de núcleo maior. Érbio e itérbio são dopantes comuns.

Muitos sistemas de alta potência usam fibra de revestimento duplo. O núcleo guia a emissão laser, enquanto o revestimento interno, de maior área, conduz a luz de bombeamento. O revestimento externo confina essa luz no revestimento interno. A geometria permite usar uma fonte de bombeamento multimodo para alimentar o núcleo ativo, que pode ser projetado para emitir em um único modo ou em poucos modos.

Configurações de laser de disco de fibra organizam a fibra em uma geometria compacta para facilitar o bombeamento e a remoção de calor. Como outros meios ópticos, as fibras podem sofrer fotoescurecimento, um aumento de absorção induzido pela exposição à radiação. O mecanismo depende do material e pode envolver a formação de centros de cor.

Lasers de cristal fotônico

Lasers de cristal fotônico usam estruturas periódicas para controlar a propagação e o confinamento da luz. A distribuição espacial do índice de refração modifica os modos disponíveis e a densidade de estados ópticos. Cavidades de pequeno volume podem ser formadas por defeitos na periodicidade, enquanto outros projetos usam a realimentação distribuída pela própria estrutura. Foram demonstrados dispositivos desse tipo em diferentes regiões espectrais, incluindo o ultravioleta.

Lasers semicondutores

Nos diodos laser usuais, a corrente injeta elétrons e lacunas em uma região ativa semicondutora. A recombinação desses portadores fornece ganho óptico. As faces do cristal podem formar a cavidade, mas existem configurações com espelhos externos, grades ou ressonadores verticais. Também há lasers semicondutores bombeados opticamente, de modo que a injeção elétrica não define toda a categoria.

Diodos de baixa e média potência são usados em apontadores, impressoras e leitores de CD e DVD. Outros bombeiam lasers de estado sólido ou de fibra. Um panorama comercial de 2014 abrangia dispositivos entre cerca de 375 e 3.500 nm, faixa que não deve ser entendida como um limite geral dos lasers semicondutores. Sistemas industriais combinam muitos emissores para obter potências de quilowatts em aplicações de corte e soldagem.

Lasers semicondutores de cavidade externa podem ser projetados para alta qualidade de feixe, sintonização, pequena largura de linha ou pulsos ultracurtos. Diodos verdes em cerca de 515 e 520 nm passaram a ser oferecidos comercialmente por fabricantes como Nichia e Osram na década de 2010, como alternativa a fontes verdes obtidas por conversão de frequência.

Os VCSELs emitem perpendicularmente à superfície da pastilha e costumam apresentar feixes mais circulares que os diodos de emissão lateral. Em 2005, dispositivos de 850 nm já eram comuns e transceptores de 1.310 nm começavam a ser comercializados. VCSELs de 1.550 nm também chegaram ao mercado, incluindo dispositivos para comunicação a 10 Gbit/s. VECSELs usam uma cavidade vertical externa.

Lasers quânticos em cascata usam transições entre sub-bandas eletrônicas em estruturas de poços quânticos. Neles, o ganho não resulta da recombinação entre elétrons e lacunas que caracteriza os diodos interbandas usuais.

A integração de lasers ao silício interessa à computação óptica e às interconexões ópticas. O silício é usado em circuitos eletrônicos e em fotônica de silício, mas sua estrutura de bandas dificulta a emissão eficiente por recombinação direta. Lasers híbridos combinam circuitos de silício com materiais emissores como compostos baseados em fosfeto de índio ou arseneto de gálio.

Lasers de nanofio também foram integrados diretamente sobre silício. A emissão de pares de pulsos com coerência de fase em nanofios foi estudada para processamento óptico de sinais. Outra possibilidade é o laser Raman, que usa espalhamento Raman estimulado em materiais como o silício, sem depender de uma transição eletrônica interbandas emissora.

Lasers de pontos quânticos usam pontos quânticos na região ativa. Em determinadas configurações, apresentam menor limiar de oscilação, menor sensibilidade à temperatura e vantagens de modulação e de ruído relativo de intensidade. A composição e o tamanho dos pontos permitem ajustar suas energias de transição.

Lasers de corante

Lasers de corante usam moléculas orgânicas como meio de ganho. Sua faixa de amplificação pode permitir grande sintonização e pulsos muito curtos. Embora muitos dispositivos usem soluções líquidas, existem lasers de corante de estado sólido, como os baseados em polímeros dopados. O bombeamento e a configuração podem permitir operação contínua ou pulsada.

Lasers de bolha usam uma bolha contendo corante como ressonador. Modos de galeria sussurrante podem produzir um espectro com muitos picos regularmente espaçados, formando um pente de frequência. O espaçamento depende da circunferência da bolha e pode ser usado para detectar mudanças de pressão.

Lasers de elétrons livres

Lasers de elétrons livres, ou FEL, extraem energia de um feixe de elétrons relativísticos que atravessa uma estrutura magnética periódica, o ondulador. A interação entre os elétrons e a radiação pode organizar o feixe eletrônico em agrupamentos que reforçam a emissão coerente. Não há uma transição entre níveis eletrônicos ligados que fixe o comprimento de onda.

Diferentes instalações cobrem faixas que vão de micro-ondas e radiação terahertz ao infravermelho, visível e raios X. A emissão não se limita aos raios X moles: o LCLS demonstrou operação na região de raios X duros, com comprimentos de onda da ordem de 0,1 nm. Cada instalação possui sua própria faixa de sintonização, definida pela energia dos elétrons e pelo ondulador.

Meios exóticos

A possibilidade de um laser de raios gama baseado em transições entre estados isoméricos de um núcleo atômico motivou trabalhos teóricos desde a década de 1970. As propostas precisam conciliar a criação de uma população nuclear adequada com perdas, alargamento das linhas e transferência de energia.

Algumas propostas usavam pulsos de nêutrons para excitar núcleos em um sólido e aproveitar o estreitamento de linha relacionado ao efeito Mössbauer. Também foram examinados sistemas de três níveis com bombeamento em dois estágios.

Outra linha de investigação considerou o campo próximo de elétrons postos em oscilação por um laser. O campo eletrônico local poderia acoplar energia a transições nucleares, enquanto respostas não lineares produziriam harmônicos espaciais e temporais. Esses trabalhos propuseram mecanismos e modelos, não demonstrações de um laser nuclear operacional.

A emissão estimulada e o controle coerente de fótons gama ainda eram objeto de modelos teóricos e propostas experimentais em um trabalho publicado em 2025. Uma proposta diferente, discutida em 2007, usava a aniquilação de positrônio para gerar radiação gama coerente. David Cassidy, da Universidade da Califórnia em Riverside, sugeriu seu possível uso no início de reações de fusão. Tratava-se de uma aplicação proposta, não de uma fonte demonstrada para esse fim.

Lasers de raios X bombeados por explosões nucleares também foram propostos como armas antimísseis, com funcionamento limitado a um disparo por dispositivo.

Células vivas foram usadas como meio de ganho em 2011. Células modificadas geneticamente produziam proteína verde fluorescente e eram colocadas entre espelhos separados por cerca de 20 μm. Sob bombeamento óptico azul, a cavidade produzia emissão laser verde.

Lasers naturais

Gases planetários e estelares podem apresentar ganho por emissão estimulada, sem uma cavidade artificial de espelhos. O fenômeno é relacionado ao dos masers astrofísicos, mas ocorre em frequências mais altas. A amplificação natural nas bandas de CO₂ próximas de 10 μm foi observada em Marte. Vênus e MWC 349 também são exemplos discutidos na pesquisa de lasers astrofísicos.

Medicina

Lasers são usados em cirurgia a laser, especialmente cirurgia ocular, tratamento de cálculos urinários, oftalmoscopia de varredura a laser e procedimentos dermatológicos, como depilação a laser. O comprimento de onda e a duração dos pulsos ajudam a determinar como a energia é absorvida e que efeito produz no tecido.

Na oncologia, lasers podem remover ou destruir determinados tumores e lesões pré-cancerosas, especialmente na superfície do corpo ou no revestimento de órgãos. Entre os usos estão carcinoma basocelular, alguns casos de câncer de pulmão de células não pequenas, pólipos colorretais e lesões pré-cancerosas do colo do útero, pênis, vagina e vulva. Também podem reduzir obstruções e sangramento causados por tumores.

A luz pode ser conduzida por endoscópios e fibras ópticas. A termoterapia intersticial induzida por laser aquece o tecido, enquanto a terapia fotodinâmica combina luz e uma substância fotossensibilizante. Esses procedimentos exigem treinamento e equipamento específicos, e sua indicação depende da doença e da localização da lesão. Podem ser combinados com outros tratamentos oncológicos.

A laserterapia de baixa potência, ou fotobiomodulação, aplica luz de lasers ou LEDs em condições que buscam modificar respostas biológicas sem a destruição térmica do tecido. A resposta depende do comprimento de onda, da dose e do protocolo, e os resultados não podem ser generalizados de uma doença para outra.

Um ensaio publicado em 2022 encontrou redução da progressão da miopia infantil com exposição repetida à luz vermelha de baixa intensidade. Uma revisão Cochrane publicada em 2025, com buscas até fevereiro de 2024, avaliou como muito incertos os resultados dessa abordagem, baseados em estudos de curto prazo com crianças chinesas. A manutenção do benefício e a segurança em longo prazo não estavam estabelecidas.

A fotobiomodulação também foi investigada para artrite reumatoide e mucosite oral. A existência de ensaios para essas indicações não estabelece eficácia universal para a técnica ou para qualquer dispositivo comercial.

Como armas

Uma arma laser é uma arma de energia dirigida que deposita energia luminosa em um alvo. O desempenho depende da potência, da focalização, do tempo de exposição e da propagação na atmosfera. Desfocalização térmica, turbulência, nuvens, fumaça e partículas podem limitar a energia que chega ao alvo.

A Marinha dos Estados Unidos testou o Laser Weapon System, ou LaWS, de cerca de 30 kW, contra pequenos veículos aéreos não tripulados e alvos em embarcações. O sistema HELIOS, de classe superior a 60 kW, foi entregue à Marinha pela Lockheed Martin em 2022, reunindo funções de laser de alta energia, ofuscamento e vigilância.

Lasers também podem produzir ofuscamento temporário ou lesões oculares permanentes. Dispositivos de ofuscamento, chamados dazzlers, são diferentes de armas projetadas para causar cegueira permanente, embora a exposição inadequada também possa causar lesões. O Protocolo sobre Armas Laser Cegantes proíbe o emprego e a transferência de armas laser projetadas especificamente para causar cegueira permanente à visão sem ampliação óptica, incluindo os olhos com lentes corretivas. A proibição não abrange indistintamente todos os usos militares de lasers.

No Brasil, um comunicado de comércio exterior de 2020 informou a retirada da NCM 90132000, identificada no texto como "Mira Laser", da "Licença de Produtos da Faixa Vermelha" e da relação de NCM impedidas para provisão de bordo. A alteração foi relacionada à regulamentação de Produtos Controlados pelo Exército de 2019. As orientações aduaneiras da Receita Federal remetem à Portaria nº 118-COLOG de 2019 para a lista desses produtos controlados.

Uso por amadores

Alguns entusiastas constroem ou modificam lasers como atividade experimental. Existem projetos amadores com lasers de CO₂, além do reaproveitamento de diodos retirados de leitores ou gravadores de DVD e Blu-ray. Esses componentes podem produzir radiação perigosa quando removidos do invólucro de segurança do equipamento original.

Lasers pulsados de rubi e YAG, incluindo equipamentos excedentes, também foram usados por amadores em holografia. O pulso curto permite registrar uma exposição antes que movimentos do objeto ou do sistema óptico prejudiquem a interferência.

Exemplos de potência

A potência necessária depende da aplicação. Em lasers pulsados, é preciso distinguir potência média, energia por pulso e potência de pico. Uma potência de pico muito elevada pode corresponder a uma potência média relativamente baixa quando os pulsos são curtos e espaçados. A energia óptica emitida pelo laser provém da energia fornecida ao sistema, e a eficiência de conversão é inferior à unidade.

Entre os sistemas de alta potência de pico, a Instalação Nacional de Ignição demonstrou 500 TW em julho de 2012, com 192 feixes. A instalação reúne os feixes em uma câmara de alvo com 10 m de diâmetro. A instalação ELI-NP, em Măgurele, Romênia, alcançou 10 PW em 2019. Esses números correspondem a potências de pico, não à potência média consumida ou emitida continuamente.

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  Topografia lunar obtida por medições laser da sonda Clementine.
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  Feixe de uma estrela-guia laser em um observatório astronômico.

Brasil

No Brasil, o Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia analisou em 2015 doze modelos de apontadores laser adquiridos no mercado. Os ensaios mediram comprimento de onda, potência óptica e informações de rotulagem. Foram encontrados produtos cuja potência medida diferia da indicada no rótulo, uma amostra sem indicação adequada de potência que excedia o limite adotado na análise e um apontador verde cuja potência ficou muito acima desse limite. O estudo também registrou a oferta pela internet de apontadores anunciados com potências entre 5 e 100 mW e recomendou medidas de informação ao consumidor e prevenção de lesões.

O relatório do Inmetro tomou como referência a classificação internacional de segurança de produtos laser e examinou, entre outros aspectos, o risco decorrente da exposição dos olhos ao feixe. A potência indicada na embalagem nem sempre corresponde à potência efetivamente emitida, o que dificulta avaliar o risco de uma ponteira apenas por sua rotulagem.

Não há uma proibição federal geral equivalente para o uso de apontadores laser, mas existem regras locais. No Distrito Federal, por exemplo a lei proíbe seu uso em estádios de futebol, ginásios de esportes, shows públicos e locais de grande aglomeração, ressalvadas atividades como palestras, cursos e seminários. A lei prevê apreensão do apontador e multa em caso de infração. Já no estado do Rio de Janeiro, a lei restringe a venda de canetas e ponteiras laser a maiores de 18 anos.

Na aviação, direcionar um feixe para uma aeronave pode criar risco à tripulação e aos passageiros. O Centro de Investigação e Prevenção de Acidentes Aeronáuticos alerta para efeitos como distração, ofuscamento e perda momentânea da visão dos pilotos. Dependendo das circunstâncias, a conduta pode enquadrar-se no artigo 261 do Código Penal Brasileiro, que pune quem expõe uma aeronave a perigo ou pratica ato destinado a impedir ou dificultar a navegação aérea.

As regras aeronáuticas brasileiras também definem zonas próximas a aeródromos nas quais a irradiância de feixes laser é limitada. A zona livre de raios laser procura tornar improvável qualquer distúrbio visual, enquanto as zonas crítica e de sensibilidade usam limites destinados a reduzir, respectivamente, ofuscamento e efeitos como cegueira momentânea e persistência de imagens na retina.

Livros

• Bertolotti, Mario. The History of the Laser. Institute of Physics, 2004. ISBN 0-7503-0911-3.
• Bromberg, Joan Lisa. The Laser in America, 1950–1970. MIT Press, 1991. ISBN 978-0-262-02318-4.
• Csele, Mark. Fundamentals of Light Sources and Lasers. Wiley, 2004. ISBN 0-471-47660-9.
• Koechner, Walter. Solid-State Laser Engineering. 3.ª edição. Springer-Verlag, 1992. ISBN 0-387-53756-2.
• Siegman, Anthony E. Lasers. University Science Books, 1986. ISBN 0-935702-11-3.
• Silfvast, William T.. Laser Fundamentals. Cambridge University Press, 1996. ISBN 0-521-55617-1.
• Svelto, Orazio. Principles of Lasers. 4.ª edição. Tradução de David Hanna. Springer, 1998. ISBN 0-306-45748-2.
• Taylor, Nick. Laser: The Inventor, the Nobel Laureate, and the Thirty-Year Patent War. Simon & Schuster, 2000. ISBN 978-0-684-83515-0.
• Pearsall, Thomas (2020). Quantum Photonics (em inglês) 2 ed. [S.l.]: Springer. ISBN 978-3-030-47324-2. doi:10.1007/978-3-030-47325-9 
• Wilson, J. e Hawkes, J. F. B. Lasers: Principles and Applications. Prentice Hall, 1987. ISBN 0-13-523697-5.
• Yariv, Amnon. Quantum Electronics. 3.ª edição. Wiley, 1989. ISBN 0-471-60997-8.

Periódicos

• Applied Physics B: Lasers and Optics, ISSN 0946-2171
• Journal of Lightwave Technology, ISSN 0733-8724
• IEEE Journal of Quantum Electronics, ISSN 0018-9197
• IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, ISSN 1077-260X
• IEEE Photonics Technology Letters, ISSN 1041-1135
• Journal of the Optical Society of America B, ISSN 0740-3224
• Laser Focus World, ISSN 0740-2511
• Optics Letters, ISSN 0146-9592
• Photonics Spectra, ISSN 0731-1230