Tecnologia laser

  I. INTRODUÇÃO

  A luz sempre desempenhou um papel central no estudo da física, química e biologia. A luz é a chave tanto para a evolução do universo quanto para a evolução da vida na Terra. Neste século, uma nova forma de luz, a luz laser, foi descoberta em nosso pequeno planeta e já está facilitando uma transformação global da informação, além de fornecer importantes contribuições para a medicina, processamento de materiais industriais, armazenamento de dados, impressão e defesa. Esta revisão irá traçar os desenvolvimentos em ciência e tecnologia que levaram à invenção do laser e dar alguns exemplos de como os lasers estão contribuindo tanto para aplicações tecnológicas quanto para o progresso da ciência básica. Existem muitas outras fontes excelentes que abrangem vários aspectos dos lasers e da tecnologia laser, incluindo artigos do 25º aniversário do laser (Ausu- bell e Langford, 1987) e manuais (eg, Siegman, 1986; Agrawal e Dutta, 1993; e Pronto, 1997).

  A amplificação de luz por emissão estimulada de radiação (LASER) é obtida excitando os modos eletrônico, vibracional, rotacional ou cooperativo de um material em um estado de não equilíbrio, de modo que os fótons que se propagam pelo sistema sejam amplificados coerentemente por emissão estimulada. A excitação deste meio de ganho óptico pode ser conseguida usando radiação ótica, corrente elétrica e descargas, ou reações químicas. O meio de amplificação é colocado em uma estrutura de ressonador óptico, por exemplo, entre dois espelhos de alta refletividade em uma configuração de interferômetro de Fabry Perot. Quando o ganho no número de fótons para um modo óptico do ressonador da cavidade excede a perda da cavidade, assim como a perda de processos não-radiativos e de absorção, a amplitude do estado coerente do modo aumenta para um nível onde o número médio de fótons no modo é maior do que um. Nos níveis da bomba acima desta condição limiar, o sistema é laser e a emissão estimulada domina a emissão espontânea. Um feixe de laser é tipicamente acoplado fora do ressonador por um espelho parcialmente transmissor. As propriedades maravilhosamente úteis da radiação laser incluem coerência espacial, emissão espectral estreita, alta potência e modos espaciais bem definidos, de modo que o feixe pode ser focalizado em um tamanho de ponto limitado por difração para alcançar uma intensidade muito alta. A alta eficiência da geração de luz laser é importante em muitas aplicações que exigem baixo consumo de energia e um mínimo de geração de calor.

Quando um feixe de laser de estado coerente é detectado usando técnicas de contagem de fótons, a distribuição de contagem de fótons no tempo é Poissoniana. Por exemplo, uma saída de áudio de um fotomultiplicador de alta eficiência que detecta um campo de laser soa como chuva em uma chuva constante. Este ruído de laser pode ser modificado em casos especiais, por exemplo, por bombeamento de corrente constante de um laser de diodo para obter um estado de número comprimido onde os fótons detectados soam mais como uma metralhadora do que a chuva.

  Um amplificador óptico é obtido se o meio de ganho não estiver em uma cavidade ressonante. Amplificadores ópticos podem alcançar um ganho muito alto e baixo ruído. De facto, presentemente têm números de ruído dentro de alguns dB do limite de ruído quântico de 3 dB para um amplificador linear insensível às fases, isto é, adicionam pouco mais do que um factor de dois à potência de ruído de um sinal de entrada. Amplificadores paramétricos ópticos (OPAs), onde o ganho de sinal é obtido por acoplamento não linear de um campo de bomba com modos de sinal, podem ser configurados para adicionar menos de 3 dB de ruído a um sinal de entrada. Em um OPA, o ruído adicionado ao sinal de entrada pode ser dominado pelo ruído da bomba e o ruído contribuído por um feixe de bomba a laser pode ser insignificante em comparação com a grande amplitude do campo da bomba.

  II.HISTÓRIA

  Einstein (1917) forneceu a primeira ideia essencial para o laser, a emissão estimulada. Por que o laser não foi inventado no início do século? Grande parte do trabalho inicial sobre a emissão estimulada concentra-se em sistemas próximos ao equilíbrio, e o laser é um sistema altamente sem equilíbrio. Em retrospecto, o laser poderia facilmente ter sido concebido e demonstrado usando uma descarga de gás durante o período de intensos estudos espectroscópicos de 1925 a 1940. No entanto, foi necessária a tecnologia de microondas desenvolvida durante a Segunda Guerra Mundial para criar a atmosfera do conceito de laser. Charles Townes e seu grupo em Columbia conceberam a idéia de radiação (amplificação de micro-ondas por emissão estimulada de radiação), baseada em sua experiência em tecnologia de microondas e seu interesse em espectroscopia de microondas de alta resolução. Idéias semelhantes de maser evoluíram em Moscou (Basov e Prokhorov, 1954) e na Universidade de Maryland (Weber, 1953). O primeiro maser experimentalmente demonstrado na Universidade de Columbia (Gordon et al., 1954, 1955) foi baseado em um feixe molecular de amônia. As ideias de Bloembergen para ganho em sistemas de três níveis resultaram nos primeiros amplificadores de radiação práticos no sistema de rubi. Estes dispositivos têm figuras de ruído muito próximas do limite quântico e foram utilizados por Penzias e Wilson na descoberta da radiação cósmica de fundo.

  Townes estava confiante de que o conceito de radiação poderia ser estendido para a região óptica (Townes, 1995). A idéia do laser nasceu (Schawlow e Townes, 1958) quando ele discutiu a idéia com Arthur Schawlow, que entendeu que os modos ressonadores de um interferômetro de Fabry-Perot poderiam reduzir o número de modos interagindo com o material ganho para obter alto ganho para um modo individual. O primeiro laser foi demonstrado em um cristal de rubi bombeado por Ted Maiman, da Hughes Research Laboratories (Maiman, 1960). Logo após a demonstração dos lasers de cristal pulsado, um laser de descarga de gás He: Ne de onda contínua (CW) foi demons- trado na Bell Laboratories (Javan et al., 1961), primeiro em 1,13 µm e posteriormente em 632,8 nm transição de lasing de comprimento de onda. Um excelente artigo sobre o nascimento do laser é publicado em uma edição especial da Physics Today (Bromberg, 1988).

O maser e o laser iniciaram o campo da eletrônica quântica que abrange as disciplinas de física e engenharia elétrica. Para os físicos que pensavam principalmente em termos de fótons, alguns conceitos de laser eram difíceis de entender sem os conceitos de ondas coerentes familiares na comunidade de engenharia elétrica. Por exemplo, a largura de linha do laser pode ser muito mais estreita do que o limite que se pode pensar ser imposto pela vida útil espontânea da transição do laser. Charles Townes ganhou uma garrafa de uísque nesse ponto de um colega da Columbia. O laser e a maser também demonstram belamente o intercâmbio de ideias e o ímpeto entre a pesquisa da indústria, do governo e da universidade.

  Inicialmente, durante o período de 1961 a 1975, houve poucas aplicações para o laser. Foi uma solução procurando por um problema. Desde meados da década de 1970, houve um crescimento explosivo da tecnologia de laser para aplicações industriais.

  Como resultado desse crescimento tecnológico, uma nova geração de lasers, incluindo lasers de diodos semicondutores, lasers de corantes, lasers de Ti: safira bloqueados no modo ultrarrápido, osciladores de parâmetros ópticos e amplificadores paramétricos está atualmente facilitando novas descobertas de pesquisas em física, química e biologia.

  III.Lasers NA VIRADA DO SÉCULO

  A "lei" de Schawlow afirma que tudo é afetado se bombeado o suficiente. Na verdade, milhares de materiais foram demonstrados como lasers e amplificadores ópticos, resultando em uma grande variedade de tamanhos de laser, comprimentos de onda, comprimentos de pulso e potências. Os comprimentos de onda do laser variam do infravermelho distante até a região do raio x. Pulsos de luz laser tão curtos quanto alguns femtossegundos estão disponíveis para pesquisas sobre dinâmica de materiais. Potências de pico na faixa de petawatt estão agora sendo alcançadas pela amplificação de pulsos de femtosegundos. Quando esses níveis de potência são focados em um ponto limitado por difração, as intensidades se aproximam de 1023 W / cm2. Elétrons nesses campos intensos são acelerados na faixa relativística durante um único ciclo óptico, e interessantes efeitos eletrodinâmicos quânticos podem ser estudados. A física dos pulsos de laser ultracurtos é revisada nesta série centenária (Bloembergen, 1999).

  Um exemplo recente de um laser grande e potente é o laser químico baseado em uma transição de iodo em um comprimento de onda de 1,3 µm que é visualizado como uma arma defensiva (Forden, 1997). Poderia ser montado em uma aeronave Boeing 747 e produziria potências médias de 3 megawatts, o equivalente a 30 maçaricos de acetileno. Novos avanços em espelhos dielétricos de alta qualidade e espelhos deformáveis ​​permitem que este feixe intenso seja focado de forma confiável em um pequeno míssil carregando agentes biológicos ou químicos e destrua-o de distâncias de até 100 km. Esse ataque de "guerras estelares" pode ser realizado durante a fase de lançamento do míssil alvo, de forma que partes do míssil destruído recaiam sobre o lançador, o que é um bom impedimento para essas armas malignas. Capitão Kirk e a nave estelar Enterprise podem estar usando este nos Klingons!

Na extremidade oposta da faixa de tamanho do laser, os micro-lasers são tão pequenos que apenas alguns modos ópticos estão contidos em um ressonador com um volume na faixa de femtolitros. Esses ressonadores podem assumir a forma de anéis ou discos com apenas alguns microns de diâmetro, que usam reflexão interna total em vez de espelhos dielétricos convencionais para obter alta refletividade. As cavidades de Fabry Perot com apenas uma fração de micrômetro de comprimento são usadas para VCSELs (lasers verticais de emissão de superfície da cavidade) que geram feixes ópticos de alta qualidade que podem ser eficientemente acoplados a fibras ópticas (Choquette e Hou, 1997). Os VCSELs podem encontrar ampla aplicação em links de dados óticos.

  As vendas mundiais de laser nos principais mercados comerciais para 1997 (Anderson, 1998; Steele, 1998) são mostradas esquematicamente na Figura 1. As vendas totais de laser alcançaram 3,2 bilhões de dólares e a uma taxa de crescimento anual de quase 27% excederão 5 bilhões de dólares até o ano 2000. A distribuição global de vendas de laser é de 60% nos EUA, 20% na Europa e 20% no Pacífico. Os lasers de diodo semicondutor representam quase 57% do mercado de laser de 1997. Lasers de diodo em telecomunicações por si só representam 30% do mercado total.

  O processamento de materiais é o segundo maior mercado com aplicações como soldagem, soldagem, padronização e corte de tecidos. Os lasers de CO2 com potências médias na faixa de 100 W representam uma grande fração das receitas dessa categoria. Lasers de diodo de alta potência com níveis de potência entre 1 e 20 W e comprimentos de onda na faixa de 750 a 980 nm estão agora encontrando uma grande variedade de aplicações no processamento de materiais, bem como em aplicações oftálmicas e cirúrgicas, instrumentação e sensoriamento.

  O crescimento em aplicações médicas a laser é, em grande parte, devido a procedimentos de laser cosmético, como o resurfacing da pele e a depilação. Uma grande fração de lasers médicos ainda é usada em aplicações oftalmológicas e cirúrgicas gerais.

  Os lasers Nd: YAG de freqüência dupla e os sistemas de laser de diodo estão substituindo os lasers de argônio na oftalmologia. Novos lasers, incluindo o laser YAG erbiumdoped, estão sendo amplamente utilizados em dermatologia, odontologia e oftalmologia.

  O armazenamento óptico representa 10% do mercado, onde se encontram os lasers usados ​​nos CD players para os mercados de entretenimento e de computadores. O laser semicondutor GaAs a 800 nm de comprimento de onda para essas aplicações é fabricado tão eficientemente hoje que os custos de laser caíram para quase US $ 1 cada. Mais de 200 milhões de lasers de diodo, com comprimentos de onda na faixa de 750 a 980 nm e potências de alguns miliwatts, foram vendidos para armazenamento óptico em 1997.

 O advento dos discos de vídeo digital (DVDs) com 4,7 Gbytes de capacidade de armazenamento e lasers de diodo azul (DenBaars, 1997) levará a um maior crescimento neste campo.

  Os aplicativos de gravação de imagens a laser incluem impressoras de computador desktop, máquinas de fax, copiadoras e impressão comercial (Gibbs, 1998). Lasers de diodo monomodo de baixa potência emitindo em comprimentos de onda de 780 a 670 nm estão sendo usados ​​em gravadores de imagem usados ​​para produzir filmes de separação de cor com alta sensibilidade nesta faixa de comprimento de onda. Essa tecnologia de impressão em cores baseada em laser combinou-se com o software de editoração eletrônica para permitir designs de páginas de alta qualidade. A tecnologia de computador para placa é outro desenvolvimento importante na impressão. A superfície da placa de impressão é diretamente fotografada, expondo-a com um feixe de laser, em vez de usar separações de cores baseadas em filme. Por exemplo, placas revestidas de fotopolímero podem ser expostas com lasers de Nd: YAG bombeados por diodo de freqüência duplicada em um comprimento de onda de 532 nm. Mais recentemente, placas termicamente sensíveis foram desenvolvidas para uso com lasers de padrão infravermelho próximo.

Os mercados de laser de sensoriamento remoto incluem prevenção de colisão automotiva, detectores químicos atmosféricos e detecção de movimento de ar. O alcance do laser está fornecendo mapas de elevação detalhados da Terra, incluindo movimentos de massa terrestre, cobertura de biomassa, nuvens e neblina e evolução da calota polar. O laser que vai dos satélites pode alcançar a resolução subcentimétrica dos recursos de elevação e o movimento da massa terrestre na Terra. A Lua, Marte e outros planetas também estão sendo mapeados por laser. Para os planetas, a precisão da medição varia entre metros e centímetros. As características detalhadas da calota de gelo em Marte, bem como as nuvens perto da borda da calota de gelo foram recentemente mapeadas.

  Aplicações a laser em pesquisa, leitura de código de barras, inspeção, arte e entretenimento são mercados pequenos, mas significativos. Lasers vendidos para pesquisa básica em 1997 representaram 132 milhões de dólares em receitas. Baixo consumo de energia, fontes de diodos duplicados em frequência emitindo em verde a níveis de potência próximos a 10 W estão sendo usados ​​como lasers de bombas para lasers de freqüência ajustável como o laser Ti: sapphire e amplificadores paramétricos ópticos. Até mesmo um laser de pesquisa de mesa pode atingir o regime de pico de potência do petawatt com amplificadores ópticos de grande volume. Esses pulsos ultracurtos e altamente sintonizáveis ​​estão levando a avanços em muitos campos de pesquisa.

  IV.Lasers em Comunicações

  Fontes de luz laser revolucionaram o setor de comunicações. As comunicações de voz aumentaram a demanda por capacidade de transmissão de informações em um ritmo constante até meados da década de 1970. O tempo de duplicação da capacidade de transmissão durante este período foi de aproximadamente 8 anos. A taxa de dados básica estava no intervalo entre 10 e 80 kHz com base em transmissões de áudio. Durante este período, os primeiros fios de cobre e, em seguida, as microondas eram as principais tecnologias de comunicação. Então, na década de 1980, um aumento explosivo da taxa de informação começou, com dados, fax e imagens adicionados ao fluxo de informações. A nova tecnologia de comunicações por fibra óptica usando fontes de luz laser foi desenvolvida para acompanhar essa nova demanda. O advento da Internet global resultou em uma explosão ainda mais surpreendente na demanda de capacidade. Na fonte de dados, os terminais de computador são usados ​​para acessar a Internet em residências e empresas ao redor do mundo, resultando em taxas de dados que estão aumentando exponencialmente. À medida que as taxas de computador da estação de trabalho se aproximam de 1000 MIPS, serão necessários links de comunicação de fibra para o computador na faixa de 1000 Mb / s. Observe a coincidência dessas taxas e que ambas estão aumentando exponencialmente. É claro que continuará havendo uma demanda exponencialmente crescente de capacidade de transmissão de informações. Em resposta a esta demanda, a capacidade de informação em uma única fibra óptica durante os últimos quatro anos, entre 1994 e 1998, aumentou 160 vezes nos sistemas comerciais de 2,5 Gbits / seg para 400 Gbits / seg.

  Este incrível aumento foi alcançado usando até 100 diferentes comprimentos de onda de laser (multiplexação por divisão de comprimento de onda densa, DWDM) em cada fibra. As taxas de dados em um único comprimento de onda aumentaram de dezenas de Mbits / seg na década de 1970 para 10 Gbits / seg no momento, e 40 Gbits / seg provavelmente estarão em uso antes da virada do século.

Essa revolução da informação está reformulando a comunidade global com a mesma força que a revolução da imprensa e a revolução industrial reformularam seus mundos. Duas das tecnologias básicas que suportam a revolução da informação são o laser de diodo semicondutor e o amplificador óptico de fibra dopada com érbio. O baixo ruído, a alta intensidade e as larguras de linhas estreitas associadas aos osciladores e amplificadores a laser são absolutamente essenciais para os sistemas de comunicação por fibra ótica. Fontes incoerentes de largura de banda mais ampla, como diodos emissores de luz ou fontes térmicas, ficam aquém das intensidades e das larguras de linha espectrais necessárias em muitas ordens de grandeza.

  Os diodos de laser semicondutor foram primeiramente demonstrados em 1962 na GE, IBM e Lincoln Laboratories como dispositivos de homojunção baseados em materiais III-V. Uma história desses primeiros lasers de diodos e referências pode ser encontrada em Agrawal e Dutta (1993). Quando a primeira temperatura da sala de heterojunção GaAs / AlGaAs, os lasers de onda contínua foram operados em 1970 por Hayashi e Panish (Hayashi et al., 1970) no Bell Labs e Alferov (Alferov et al., 1970) na Rússia, suas vidas foram medidas em minutos. As confiabilidades do laser de diodo aumentaram drasticamente desde então. Estima-se que a vida útil do laser de diodo seja de centenas de anos, e a estabilidade do comprimento da onda é maior que 0,1 nm em um período de 25 anos. Essas incríveis estabilidades são necessárias para os novos sistemas DWDM com mais de 100 canais de comprimento de onda abrangendo faixas de comprimento de onda de 100 nm. Como o comprimento de onda ótimo para perda baixa em fibra de sílica aumentou em comprimento de onda de 800 nm a 1500 nm durante os anos 70, os comprimentos de onda do laser de diodo seguiram evoluindo de GaAs para o sistema InGaAsP. Durante o final dos anos 80 e início dos anos 90, os poços quânticos substituíram o semicondutor a granel na região de ganho óptico ativo, a fim de melhorar as características operacionais do laser. Um diagrama esquemático de um laser de diodos de telecomunicações atual integrado com um modulador de absorção eletromagnética é mostrado na Fig. 2. As dimensões totais são menores que 1 mm. Uma região com índice de refração elevado e grade de feedback distribuído enterrado (DFB), abaixo dos poços quânticos ativos, define a cavidade óptica do laser e o comprimento de onda do laser, respectivamente.

Os sistemas de comunicação por fibra ótica também dependem fortemente do amplificador de fibra dopado com érbio, desenvolvido no final da década de 1980 (Urquhart, 1988). Estes amplificadores têm alta

FIG. 2. Um diagrama esquemático de um diodo de laser semicondutor com um modulador de eletroabsorção usado em sistemas de comunicações ópticas. (Cortesia de R. L. Hartman, Lucent Technologies) ganham, tipicamente perto de 25 dB, e baixos níveis de ruído perto do limite de ruído quântico de 3 dB para um amplificador de fase linear insensível. O ganho nesses amplificadores pode ser equalizado em larguras de banda de até 100 nm, cobrindo quase um quarto da janela de fibra de sílica de baixa perda entre comprimentos de onda de 1,2 e 1,6 µm. Os sistemas de fibra ótica podem ser tornados "transparentes" ao longo de milhares de quilômetros, usando amplificadores de fibra dopados com erbium espaçados a distâncias de aproximadamente 80 km, onde as perdas de fibra se aproximam de 20 dB.

  À medida que o século se aproxima, estamos nos aproximando rapidamente dos limites físicos fundamentais para lasers, amplificadores ópticos e fibras de sílica. As larguras de linha a laser estão na faixa de 10 MHz, limitadas por flutuações de emissão espontânea fundamentais e acoplamento de índice de ganho em materiais semicondutores. O número de fótons em um bit de informação detectado está se aproximando do limite fundamental de aproximadamente 60 fótons necessários ao usar campos de luz laser de estado coerente para manter uma taxa de erro menor que 1 parte em 109. Uma eficiência de utilização de largura de banda de 1 bit / sec / Hz foi recentemente demonstrado. As larguras de banda do amplificador óptico ainda não atingem a largura de 400 nm da janela de fibra de baixa perda, mas estão se expandindo rapidamente. Limites fundamentais impostos por distorções não-lineares e dispersivas em fibras de sílica tornam a transmissão em taxas de dados acima de 40 Gbits / s muito difíceis em longas distâncias. Os solitons ópticos podem ser usados ​​para equilibrar essas distorções, mas mesmo com os solitons, os limites fundamentais permanecem para sistemas de múltiplos comprimentos de alta taxa de bits. Os limites de capacidade de canal impostos pela teoria da informação estão no horizonte. É claramente um desafio para os próximos séculos encontrar ainda mais capacidade de transmissão de informações para o crescente desejo de se comunicar.

  V. PROCESSAMENTO DE MATERIAIS E LITOGRAFIA

  Os lasers de alta potência CO2 e Nd: YAG são usados ​​para uma grande variedade de aplicações de gravação, corte, soldagem, soldagem e prototipagem 3D. Os lasers CO2 com excitação e excitação de RF estão comercialmente disponíveis com potências de saída na faixa de 10 a 600 W e têm vida útil de mais de 10 000 horas. Aplicações de corte a laser incluem roupas de vela, pára-quedas, tecidos, airbags e rendas. O corte é muito rápido, preciso, não há descolagem da borda, e é obtida uma borda limpa e fundida que elimina o desgaste do material. Projetos complexos são feitos em madeira, vidro, acrílico, carimbos de borracha, chapas de impressão, plexiglas, placas, juntas e papel. Modelos tridimensionais são rapidamente feitos de plástico ou madeira usando um arquivo de computador CAD (computer-aided design).

  Os lasers de fibra (Rossi, 1997) são uma adição recente ao campo de processamento de materiais. Os primeiros lasers de fibra foram demonstrados nos Laboratórios Bell usando fibras de cristal em um esforço para desenvolver lasers para comunicações de ondas de luz submarinas. Lasers de fibra de sílica dopada fundida foram logo desenvolvidos. Durante o final da década de 1980, pesquisadores da Polaroid Corp. e da Universidade de Southampton inventaram lasers de fibra de revestimento. O vidro que circunda o núcleo de guia nesses lasers serve tanto para guiar a luz no núcleo monomodo e como um conduto multimodo para a luz da bomba, cuja propagação é confinada ao revestimento interno por um revestimento de polímero externo de baixo índice de refração. Esquemas típicos de operação atualmente usam uma barra de laser de diodo de 20W multi-modo que se acopla eficientemente na região interna de revestimento de grande diâmetro e é absorvida pela região central dopada em todo o seu comprimento (tipicamente 50 m). Os contaminantes no núcleo da fibra que fornecem o ganho podem ser de érbio para a região de comprimento de onda de 1,5 µm ou itérbio para a região de 1,1 µm. Espelhos de cavidade de alta qualidade são depositados diretamente nas extremidades da fibra. Esses lasers de fibra são extremamente eficientes, com eficiências gerais de até 60%. A qualidade do feixe e a eficiência de entrega são excelentes, pois a saída é formada como a saída de modo único da fibra. Esses lasers agora têm potências de saída na faixa de 10 a 40 W e tempos de vida de quase 5000 horas. As aplicações atuais desses lasers incluem o recozimento de componentes micromecânicos, corte de peças de aço inoxidável de 25 a 50 µm de espessura, solda seletiva e soldagem de peças mecânicas complexas, marcação de componentes plásticos e metálicos e aplicação de impressão.

Os lasers Excimer estão começando a desempenhar um papel fundamental na fotolitografia usada para fabricar chips VLSI (circuito integrado de grande escala). À medida que as regras de projeto do IC (circuito integrado) diminuem de 0,35 µm (1995) para 0,13 µm (2002), o comprimento de onda da fonte de luz usada para o padrão fotolitográfico deve diminuir de 400 nm para abaixo de 200 nm. Durante o início dos anos 90, a radiação de arco de mercúrio produziu energia suficiente em comprimentos de onda suficientemente curtos de 436 nm e 365 nm para altas taxas de produção de dispositivos IC padronizados para regras de projeto de 0,5 µm e 0,35 µm, respectivamente. À medida que o século fecha fontes de laser excimer com potência de saída média na faixa de 200 W estão substituindo os arcos de mercúrio. As larguras de linha do excimer laser são largas o suficiente para evitar a formação do padrão de speckle, porém estreitas o suficiente, com largura de comprimento de onda inferior a 2 nm, para evitar grandes problemas com a dispersão na imagem óptica. A radiação laser excimer de fluoreto de krypton (KF) a 248 nm suporta as regras de projeto de 0,25 µm e a transição de laser ArF a 193 nm provavelmente será usada começando com regras de design de 0,18 µm. Em regras de projeto ainda menores, até 0,1 µm em 2008, o comprimento de onda do laser excimer F2 a 157 nm é um candidato possível, embora não haja fotorresistências desenvolvidas para este comprimento de onda no momento. Altas harmônicas de lasers de estado sólido também são possibilidades como fontes UV de alta potência. Em comprimentos de onda ainda mais curtos, é muito difícil para os elementos ópticos e fotorresistentes atenderem aos requisitos dos sistemas litográficos. Feixes de elétrons, raios x e radiação síncrotron ainda estão sendo considerados para as regras de design de 70 nm previstas para 2010 e além.

  VI.Lasers EM MEDICINA

  Lasers com comprimentos de onda do infravermelho através do UV estão sendo usados ​​em medicina para aplicações diagnósticas e terapêuticas (Deutsch, 1997). Lasers interagem com tecidos não homogêneos através da absorção e dispersão.

  Absorventes incluem pigmento da pele de melanina, hemoglobina no sangue e proteínas. Em comprimentos de onda superiores a 1 µm, o absorvedor primário é a água. Os corantes também podem ser introduzidos no tecido para absorção seletiva. Por exemplo, em terapia fotodinâmica, fotossensibilizadores de corante de hematoporfirina que absorvem na faixa de comprimento de onda de 630 nm a 650 nm podem ser introduzidos no sistema e usados ​​para tratar tumores de câncer por irradiação de laser local no trato urinário ou esôfago. Dispersão no tecido limita a penetração da radiação; por exemplo, a um comprimento de onda de espalhamento de 1 µm limita as profundidades de penetração a alguns milímetros. Os processos de dispersão estão sendo estudados na esperança de obter imagens de alta resolução para o rastreamento do câncer de mama. A interação do laser com o tecido depende se o laser é pulsado ou em forma de CW. Pulsos de laser curtos nos quais não ocorre difusão térmica durante o pulso podem ser usados ​​para confinar a profundidade dos efeitos do laser. Este fenómeno, juntamente com a sintonização selectiva do comprimento de onda do laser, é utilizado na dermatologia para o tratamento de lesões da pele e na remoção de varizes, tatuagens e cabelo. Interações não-lineares também desempenham um papel importante. Por exemplo, a quebra induzida por laser é usada para a fragmentação de cálculos renais e da vesícula biliar.

Como o interior do olho é facilmente acessível com luz, as aplicações oftálmicas foram os primeiros usos generalizados dos lasers na medicina. Os lasers de argônio já são usados ​​há muitos anos para tratar o descolamento de retina e o sangramento de vasos retinianos. A ampla disponibilidade dos lasers de CO2 e Nd: YAG que cortam o tecido ao mesmo tempo em que coagulam os vasos sangüíneos levou ao seu uso precoce em cirurgia geral. O laser Er: YAG foi recentemente introduzido para aplicações odontológicas com a promessa de redução drástica da dor, certamente uma contribuição bem-vinda da tecnologia laser.

  Procedimentos diagnósticos usando o laser estão se proliferando rapidamente. Algumas técnicas são amplamente utilizadas na prática clínica. Por exemplo, o citómetro de fluxo utiliza dois feixes laser focalizados para excitar sequencialmente a fluorescência de partículas celulares ou moléculas que fluem num líquido através de um bocal. Os sinais fluorescentes medidos podem ser usados ​​para triagem ou análise de células. As aplicações clínicas de rotina da citometria de fluxo incluem imunofenotipagem e medição do conteúdo de DNA. Os citômetros de fluxo são usados ​​para separar fisicamente um grande número de cromossomos humanos. Os cromossomos selecionados fornecem modelos de DNA para a construção de bibliotecas de DNA recombinante para cada um dos cromossomos humanos. Essas bibliotecas são um componente importante da engenharia genética.

  Uma nova técnica de imagem médica baseada em laser (Guillero et al., 1997) baseada na tecnologia de laser chamada tomografia de coerência óptica (OCT) está alcançando a resolução espacial dos tecidos na faixa de 10 µm. As resoluções de ultrassonografia e ressonância magnética (RM) estão limitadas à faixa de 100 µm a 1 mm. A nova técnica de OCT de alta resolução é sensível o suficiente para detectar anormalidades associadas ao câncer e à aterosclerose em estágios iniciais. A técnica OCT é semelhante à ultrassonografia, mas utiliza uma fonte de luz infravermelha de largura de banda espectral, brilhante, com comprimento de coerência próximo a 10 µm, resultando em pelo menos uma ordem de magnitude de melhoria na resolução sobre técnicas acústicas e de ressonância magnética. A fonte pode ser um diodo super luminescente, Cr: laser de forsterita, ou um laser Ti: Sapphire com bloqueio de modo. A OCT executa a variação óptica no tecido usando um interferômetro Michelson de fibra óptica. Como a interferência é observada apenas quando os comprimentos do caminho óptico da amostra e os braços de referência do interferômetro coincidem com o comprimento de coerência da fonte, medidas de precisão são obtidas. A amplitude do sinal refletido / disperso em função da profundidade é obtida pela variação do comprimento do braço de referência do interferômetro. Uma imagem de seção transversal é produzida quando os perfis axiais de reflexão / espalhamento são registrados enquanto a posição do feixe é digitalizada através da amostra. Estudos recentes mostraram que a OCT pode visualizar a morfologia arquitetônica em tecidos altamente dispersos, como a retina, a pele, o sistema vascular, o trato gastrointestinal e o desenvolvimento de embriões. Uma imagem de uma traquéia de coelho obtida usando esta técnica acoplada a um cateterendoscópio é mostrada na Fig. 3. A OCT já está sendo usada clinicamente para o diagnóstico de uma ampla gama de doenças maculares da retina.

Uma técnica ótica elegante e inovadora usando gases espira- polarizados (Mittleman et al., 1995) está sendo explorada para melhorar as imagens de ressonância magnética dos pulmões e do cérebro. Os spins nucleares dos gases Xe e 3He são alinhados usando radiação laser polarizada circularmente. Esses núcleos alinhados têm magnetizações quase 105 vezes maiores do que os prótons normalmente usados ​​para imagens de ressonância magnética. O xénon é utilizado como sonda cerebral, uma vez que é solúvel em lípidos. Em regiões como os pulmões, que não contêm água suficiente para imagens de RM de alto contraste, 3He fornece as imagens de alto contraste. Pode-se até observar o fluxo 3He nos pulmões para diagnósticos funcionais.

  VII.Lasers em biologia

  Aplicações a laser em biologia podem ser ilustradas com dois exemplos, pinças a laser e microscópios de dois fótons.

FIG. 3. Imagens de tomografia de coerência óptica de uma traqueia de coelho in vivo. (a) Esta imagem permite a visualização de camadas arquitiquiduais distintas, incluindo o epitélio (e), o estroma da mucosa (m), cartilagem (c) e tecido adiposo (a).

  O músculo traqueal (tm) pode ser facilmente identificado. (B) Histologia correspondente. Bar, cópia de 500 µm. Quando a luz laser colimada é focada perto ou dentro de um pequeno corpo dielétrico como uma célula biológica, a refração da luz na célula provoca um efeito de lente. Uma força é transmitida à célula pela transferência de momento do feixe de luz de flexão. Arthur Ashkin da Bell Laboratories (Ashkin, 1997) descobriu que, variando a forma e posição do volume focal em um arranjo microscópico, uma célula pode ser facilmente movida ou presa com essas forças de 'pinça de laser' usando intensidades de luz próximas a 10 W / cm2 Nesses níveis de luz e comprimentos de onda no infravermelho próximo, não há dano significativo ou aquecimento de constituintes celulares. Pinças a laser estão sendo usadas agora para mover corpos subcelulares como mitocôndrias dentro de uma célula (Sheetz, 1998). Técnicas de pinça também podem ser usadas para estender os filamentos de DNA em configurações lineares para estudos detalhados. Dois feixes de laser podem ser usados ​​para estabilizar uma célula e, em seguida, um terceiro feixe de laser em um comprimento de onda diferente, pode ser usado para estudos espectroscópicos ou dinâmicos. Os lasers pulsados ​​estão sendo usados ​​como "tesouras" para fazer modificações específicas nas estruturas celulares ou para fazer pequenos orifícios nas membranas celulares, de modo que moléculas ou materiais genéticos possam ser seletivamente introduzidos na célula.

FIG. 4. (Cor) Imagem fluorescente de microscópio confocal de dois fótons de uma célula Purkenji viva em uma fatia do cérebro. As dimensões da célula são da ordem de 100 µm.

  Digitalização confocal e microscopia óptica de dois fotões são excelentes exemplos da contribuição da tecnologia laser para a biologia. Imagens tridimensionais de células nervosas de aproximadamente 200 µm em cérebros em funcionamento e embriões em desenvolvimento são agora uma realidade. Microscópios confocais práticos foram amplamente utilizados no final dos anos 80 como resultado de fontes confiáveis ​​de luz laser. A resolução da lente num microscópio confocal é utilizada para focar a luz para um ponto limitado de difracção e, em seguida, novamente para visualizar principalmente os fótons de sinal, isto é, aqueles que não estão fortemente dispersos pela amostra, numa abertura. Mesmo que imagens 3D de alta resolução sejam obtidas, este esquema de fótons único é um uso desnecessário da luz de iluminação, uma vez que uma fração maior é afastada da abertura ou é absorvida pela amostra. Na microscopia fluorescente, o dano fotodinâmico ao fluoróforo é um fator especialmente limitante para a microscopia confocal de fóton único.

A microscopia confocal de varrimento multifuncional foi introduzida em 1990 e resolve muitos dos problemas das técnicas de fotão único. Um microscópio típico de dois fótons usa pulsos curtos de 100 fs a partir de um laser bloqueado Ti: sapphire mode com níveis médios de potência próximos a 10 mW. A alta intensidade no pico de cada pulso causa forte absorção de dois fótons e fluorescência apenas dentro do pequeno volume focal, e toda a radiação fluorescente pode ser coletada para alta eficiência. A luz excitante é escolhida para absorção e danos mínimos de fótons individuais, de modo que a técnica dos dois fótons tem uma resolução muito alta, baixo dano e penetração profunda.

  Uma bela imagem fluorescente de dois fótons de uma célula viva de Purkenji em uma fatia do cérebro é mostrada na Fig. 4 (Denk e Svoboda, 1997). Os neurônios neo-corticais pirimídicos nas camadas 2 e 3 do córtex somatossensorial de ratos foram visualizados a profundidades de 200 µm abaixo da superfície do cérebro. Ainda mais impressionantes são as imagens em movimento do desenvolvimento embrionário. A microscopia de embriões é particularmente sensível ao fotodano e a técnica de dois fótons está abrindo novas perspectivas neste campo.

  VIII.Lasers em Física

  A tecnologia laser estimulou o renascimento de espectroscopias em todo o espectro eletromagnético. A largura de linha estreita do laser, grandes potências, pulsos curtos e ampla faixa de comprimentos de onda permitiram novos estudos dinâmicos e espectrais de gases, plasmas, vidros, cristais e líquidos. Por exemplo, os estudos de espalhamento Raman de fônons, magnons, plasmons, rotons e excitações em gases de elétrons 2D floresceram desde a invenção do laser. Espectroscopias a laser não-lineares resultaram em grandes aumentos na medição de precisão, conforme descrito em um artigo deste volume (Hänsch e Walther, 1999).

  Os lasers de corantes estabilizados por frequência e os lasers de díodos precisamente sintonizados em transições atômicas resultaram em átomos ultrafrios e condensados ​​de Bose Einstein, também descritos neste volume (Wieman et al., 1999). O controle do estado atômico e as medições da não-preservação da paridade atômica atingiram uma precisão que permite testes do modelo padrão em física de partículas, bem como pesquisas cruciais para novas físicas além do modelo padrão. Em recentes experimentos de não-conservação de paridade (Wood et al., 1997), os átomos de Ce são preparados em estados eletrônicos específicos à medida que passam por dois feixes de laser de diodo vermelho. Estes átomos preparados então entram em um ressonador de cavidade ótica onde os átomos são excitados a um nível de energia mais alto pela luz verde de alta intensidade injetada na cavidade de um laser de dy e estabilizado por freqüência. Os campos elétricos e magnéticos aplicados nesta região de excitação podem ser revertidos para criar um ambiente espelhado para os átomos.

  Depois que o átomo sai da região de excitação, a taxa de excitação do átomo é medida por um terceiro laser de diodo vermelho. Mudanças muito pequenas nesta taxa de excitação com um espelhamento dos campos elétrico e magnético aplicados indicam não-conservação paritária. A precisão da medida de não-conservação da paridade evoluiu ao longo de várias décadas para um nível de 0,35%. Esta precisão de medição corresponde ao primeiro isolamento definitivo da violação da paridade atômica dependente do spin nuclear. Neste nível de precisão, é claro que um componente da interação elétron-nuclear é devido a um momento anapolar nuclear, um momento magnético que pode ser visualizado como sendo produzido por distribuições de corrente toroidal no núcleo.

Lasers também estão contribuindo para o campo da astrofísica. Um laser de Nd: YAG com comprimento de onda de 10,6 µm será usado nos primeiros experimentos para tentar detectar ondas gravitacionais de fontes como supernovas e estrelas de nêutrons em órbita.

  Esses experimentos usam interferômetros que devem ser capazes de medir uma mudança de comprimento entre os dois braços do interferômetro para uma precisão de uma parte em 1022. Uma dobra espacial dessa magnitude é prevista para a radiação gravitacional de fontes astrofísicas. Os experimentos terrestres são chamados LIGO (Light Interferometer Gravitational Wave Observatory) nos EUA e GEO na Europa. Um experimento baseado no espaço chamado LISA (Antena Espacial de Interferômetro Leve) também está em andamento. Os braços do interferômetro LIGO têm 4 km de comprimento. É necessário um laser de qualidade estável, baixo ruído e de alta qualidade de feixe espacial em um nível de potência de 10 W para a fonte de luz. Os espelhos de cavidade formam ressonadores em cada braço do interferômetro que aumentam a potência nas cavidades para quase 1 kW. Quatro hastes Nd: YAG, cada lado bombeado por duas barras de diodo de 20 W, amplificam a saída de frequência única de um oscilador de anel não plano de 700 mW para pelo menos 10 W. Atingir a sensibilidade necessária para detectar ondas gravitacionais significa resolver cada franja do interferômetro a uma parte em 1011, uma meta formidável, mas esperançosamente realizável.

  TECNOLOGIAS LASER IX.FUTURAS

  Os aceleradores de laser e laser de elétrons livres são exemplos de desenvolvimento de tecnologias de laser que podem ter um grande impacto no próximo século. O laser de elétrons livres (FEL) é baseado no ganho óptico de um feixe de elétrons relativístico ondulado em um campo magnético periódico (Sessler e Vaugnan, 1987). Acelera- dores de feixe de elétrons baseados em cavidades de microondas supercondutoras estão sendo desenvolvidos em um novo centro FEL no Jefferson Laboratories. Essas cavidades de aceleração geram campos altos na faixa de 10 a 20 MeV / me permitem a geração muito eficiente de luz FEL que pode ser sintonizada do infravermelho ao ultravioleta profundo com níveis médios de potência na faixa de quilowatts (Kelley et al., 1996). . Atualmente, um FEL infravermelho com potência média de 1 kW está quase pronto e está sendo planejada uma atualização para um poderoso e profundo FEL UV. Nesses imensos poderes, várias novas tecnologias podem ser comercialmente interessantes. Pulsos FEL curtos e intensos podem permitir o recozimento térmico rápido e a limpeza de superfícies metálicas. O recozimento de laser pulsado pode resultar em um aumento de quase uma ordem de grandeza na dureza das ferramentas de usinagem. As altas potências FEL médias podem ser suficientes para tornar realidade a produção comercial de ferramentas aprimoradas a laser. Outro grande mercado que exige altas potências para o processamento de grandes volumes é o envoltório de polímeros e o tecido. Neste caso, pulsos FEL intensos podem induzir uma ampla gama de propriedades de polímeros modificados, incluindo superfícies de polímeros antibacterianos que poderiam ser usados ​​para embalagens de alimentos e roupas com texturas agradáveis ​​e durabilidade aprimorada. Potências médias elevadas e ajuste de comprimento de onda também são importantes para a padronização de ferramentas de micro-usinagem de grandes áreas usadas para imprimir padrões em folhas de plástico.

Lasers de classe Petawattclass podem fornecer a base para uma nova geração de aceleradores de partículas. A freqüência de aceleradores de campo de micro-ondas atualmente em uso provavelmente será limitada por despertares gerados pelo próprio usuário para menos de 100 GHz, onde os campos em aceleração atingirão a faixa de 100 MeV / m. Raios laser intensos estão sendo usados ​​para gerar campos muito mais altos na faixa de 100 GeV / m (Madena et al., 1995). Por exemplo, uma técnica usa dois feixes de laser cuja frequência de diferença é sintonizada na freqüência de plasma de um gás ionizado pelo laser. Acelerando campos tão altos quanto 160 GeV / m podem ser gerados entre as regiões de carga espacial periódica da onda de plasma. As velocidades de propagação desses gigantescos campos podem ser projetadas para coincidir com as velocidades relativísticas das partículas aceleradas. Muito trabalho permanece para alcançar aceleradores práticos, mas a prova de princípio já foi alcançada.

  O desenvolvimento de tecnologias a laser e suas contribuições para a ciência são numerosas demais para cobrir adequadamente nesta breve revisão. As comunicações a laser entre redes de satélites, espaçonaves propulsoras a laser e fusão a laser são exemplos adicionais de desenvolvimento de tecnologias a laser. Nas ciências básicas, há muitos novos experimentos que estão sendo ativados pela tecnologia a laser, incluindo a correção de distorções atmosféricas na astronomia usando reflexões de laser da camada de sódio na alta atmosfera e estudos de eletrodinâmica quântica usando raios laser ultra-intensos. Assim como era difícil imaginar o potencial das tecnologias de laser nas décadas de 1960 e 1970, parece claro que não podemos agora visualizar os muitos novos desenvolvimentos em lasers e suas aplicações no próximo século. Nossa nova fonte de luz laser certamente tocará a todos nós, tanto em nossas vidas comuns quanto no mundo da ciência.