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Uma luz muito especial
A palavra laser é um acrônimo para Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER) ou, em português, Amplificação da luz pela estimulação da emissão de radiação.
Um laser é uma fonte de luz muito coerente. O auto grau de coerência espacial permite o feixe ser altamente colimado e focável.
Além disso, a coerência espectral longitudinal é muito alta. Todos os fótons possuem energias similares e, portanto, é considerada uma luz monocromática.
Estas propriedades fazem a luz laser ser capaz de formar uma onda de luz estacionária, onde as moléculas podem ser difratadas.
A luz laser pode ser altamente polarizada. No KDTLI, nós usamos polarização óptica para ajustar a potência da luz que chega nas moléculas e também para separar o feixe que saí e retorna.
Extra: Polarização óptica
Nosso laser é linearmente polarizado, ou seja, o campo elétrico da luz oscila em um único plano e esta propriedade é usada para guiar e modular o campo eletromagnético da luz.
Divisores polarizadores de feixe mudam a direção da polarização pré-definida de um feixe, como por exemplo uma orientação horizontal do campo elétrico(polarização horizontal), para uma orientação vertical do campo elétrico passar (polarização vertical).
Através da rotação do eixo polarizado do laser é possível utilizar o divisor polarizador de feixe como um preciso atenuador da intensidade. A intensidade pode ser continuamente dividida entre duas saídas. Para rotacionar a polarização, nós usamos placas de meia-onda, onde a fase entre dois componentes ortogonais do campo da luz é transladada por \(\pi\). Nós podemos também mudar a potência do laser através da corrente elétrica, porém isso normalmente afeta outros parâmetros (comprimento de onda, perfil, etc), portanto, é mais vantajoso usar dispositivos ópticos, como polarizadores.
Uma placa de um quarto de onda transforma luz linearmente polarizada para circularmente polarizada e vice-versa. Se um feixe atravessa este elemento duas vezes (indo em uma direção e depois voltando em direção contrária pela reflexão de um espelho) pode rotacionar a polarização de um feixe de laser por 90 graus . Nós usamos esta placa no KDTLI para proteger o laser de danos causados pela reflexão contrária da luz.
Muitos lasers possuem um perfil de intensidade que pode ser descrito por uma função gaussiana. No interferômetro, nós precisamos de um feixe focado em somente \(20 \times 1000 \, \mathrm{\mu m}^2\). Nós usamos lentes cilíndricas para obter uma distribuição homogênea do campo sobre todo o feixe molecular.
Extra: Feixes Gaussianos
O perfil de intensidade gaussiana é descrita pela equação:
\( I=I_0 \cdot \exp(- 2r^2/w_0^2) \)
Onde a distância \(r\) é considerada a partir do eixo óptico e o fator de decaimento \(w_0 \) define a distância na qual a intensidade cai pelo fator \(1/e^2 \).
Este perfil de feixe, em particular, possui algumas propriedades ópticas que nós queremos memorizar:
- A sua natureza ondulatória (difração) inibe que um feixe de luz seja focalizado em um pequeno ponto arbitrário. O menor fóco com uma onda de luz extendida ( comprimento de onda \(\lambda\) , diâmetro do feixe \(D\)) atrás de lentes com comprimento focal \(f\) pode ser:
\( w_1= \frac{f \lambda}{\pi D} \).
- O feixe do laser não pode ser mantido arbitrariamente pequeno em longas disntâncias. Imediatamente após o fator de decaimento, o feixe diverge. \( w (z)= w_0 \sqrt{1+(z/z_R)^2} \), com o comprimento de Rayleigh, \( z_R = \pi w_0^2/\lambda\)
Desafio experimental: Altura da difração da luz
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