VIII Espectroscopia

1
VIII Espectroscopia

• Método envolve excitação
• detecção
• Fontes
• Coerentes x incoerentes
• Laser

luz
modificação na amostra
amostra
outras fontes de excitação
luz
2
Frentes de onda .
Coerência espacial temporal
Coerência espacial temporal ?cte Coerência
temporal Incoerência espacial ?
?(x) Coerência espacial Incoerência
temporal ? ?(t) Incoerência espacial
temporal ? ?(x,t)
tempo.
Função harmônica e dependência espaço temporal da
fase .
3
Laser como meio óptico
Um meio que armazena energia EM, cercado por
(dois) espelhos. Luz que entra no meio induz
emissão estimulada. Assim, a quantidade de
radiação na saída excede a que entra. Para isto,
um dos espelhos deve ter transmissão parcial.
I0 I1 I3 I2 O laser
funciona quando a irradiação cresce em uma
volta Isto é, se I3 ? I0 O laser alcança o
limiar
Meio laser com ganho G
4
Laser como meio quântico

• O ganho, G, é o valor pelo qual o feixe é
  amplificado quando atravessa o meio. Desprezando
  a absorção
• A solução é
• Pode haver ganho e perda exponencial na
  irradiação. Normalmente, existe perda. Se existe
  ganho, definimos G como

emissão estimulada espontânea
5
Alcançando o limiar do laser

• Para alcançar o limiar, G gt 1, e a emissão
  estimulada deve exceder a absorção
• inversão
• B N1 I gt B N0 I
• Ou, de forma equivalente,
• temperatura
• N1 gt N0 negativa
• A condição é chamada "Inversão."
• Ela não ocorre naturalmente.
• A fim de alcançar inversão, precisamos excitar o
  meio fortemente.

Energia
6
Amplitude e fase da luz do Laser
Vamos considerar a formação de uma onda
estacionária na cavidade
Teoria quântica do laser
Inversão não saturada
7
Amplitude e fase da luz do Laser
Equação fundamental do laser
Equação de movimento para partícula de massa
despresível em potencial V(q)
Solução
V(q) V(q)
G - ? gt 0 G - ? gt 0
8
1o exemplo Laser de Rubi
1960 Ted Maiman no Hughes Research Labs, 1o
laser construído.
9
Sistema deQuatro Níveis
fast
Moléculas acumulam-se neste nível, levando à
inversão com respeito a este nível.
O sistema dequatro níveis é o sistema ideal.
slow
transição laser
fast
10
Laser de Hélio-Neônio
11
Lasers de Diodo
12
Freqüências Laser " Modos Longitudinais"

• Lembrando que um trem infinito de pulsos
  idênticos pode ser escrito
• E(t) III(t/T) f(t)
• onde f(t) representa um único pulso e T é o tempo
  entre pulsos.
• O Teorema da Convolução afirma que a Transformada
  de Fourier da
• convolução é o produto das Transformadas de
  Fourier. Então
• F E(t) T III(wT/2p) F(w)
• Se este trem de pulsos resulta de um pulso único
  rebatendo para frente e para trás dentro da
  cavidade laser, T 2L/c. O espaçamento entre as
  freqüências ou "modos" é dw 2pc/2L ou dn c/2L.

13
A Transformada de Fourier de um Trem Finito de
Pulsos

• Um trem finito de pulsos idênticos sob um
  envelope (duração finita)
• E(t) III(t/T) g(t) f(t)
• onde g(t) é o envelope Gaussiano sobre o trem de
  pulsos.
• Lembrando
• F E(t) µ III(wT/2p) G(w) F(w)

14
Modos do Laser
freqüências de um laser são freqüentemente
chamadas de modos longitudinais. Quais modos
operam no laser, dependem do perfil de ganho.
15
Feixes Gaussianos

• Feixes reais de lasers são localizados no espaço
  na cavidade do laser e portanto devem difratar
  quando propagam-se para longe laser.
• O feixe tem uma cintura em z 0, onde o tamanho
  da mancha é w0. Se expande para w w(z) a uma
  distância z laser.
• O raio de curvatura do feixe, R(z), também cresce
  com a distância.

16
Focalizando um Feixe Gaussiano

• A lente focaliza um feixe Gaussiano colimado em
  uma nova mancha
• d0 2 f l / D
• Quão MENOR se deseja o foco, MAIOR deve ser o
  feixe na lente!