As características físicas do laser

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O laser é um tipo de radiação óptica que usa o princípio da radiação estimulada de átomos ou moléculas para excitar a substância ativa. Todos os fótons no mesmo feixe de laser têm a mesma frequência, a mesma fase e a mesma polarização e direção de propagação. Portanto, o laser é uma radiação de luz coerente com boa monocromática, forte direcionalidade e brilho extremamente alto. A tecnologia de processamento a laser é uma engenharia sistemática que integra luz, mecânica e eletricidade. Também se cruza com muitas disciplinas, como física, materiais, maquinário e automação. É uma das áreas de fronteira do desenvolvimento científico e tecnológico. A tecnologia e os equipamentos laser desenvolveram-se rapidamente nos últimos anos e têm recebido atenção crescente de países em todo o mundo.

Características do laser

Como luz coerente, o laser possui muitas características.

Boa monocromática

A essência da luz é um tipo de radiação de onda eletromagnética. Para a radiação de ondas eletromagnéticas, quanto maior o comprimento de coerência, mais estreita a largura da linha espectral e mais pura a cor, ou seja, melhor a monocromática da luz. Tomando o laser HeNe como exemplo, o comprimento de coerência do laser é de cerca de 4 × 10⁴m. Antes do advento dos lasers, a melhor fonte de luz monocromática era uma lâmpada de criptônio, que produzia um comprimento coerente de radiação de luz de cerca de 0,78 m. A excitação visível é a fonte de luz mais simples do mundo.

Claridade alta

O alto brilho é outra característica marcante do laser. Geralmente, a intensidade de radiação de luz emitida pela área emissora de luz unitária ΔS, a largura de radiação de luz unitária Δν e o ângulo de divergência θ são definidos como o brilho monocromático B_λ da fonte de luz.

B_λ = P / ΔSΔνθ² (2.1)

Na fórmula, P é a potência do laser.

Embora a potência total emitida pelo sol seja alta, a largura da radiação de luz Δν é muito ampla, o ângulo de divergência θ é grande e o brilho monocromático ainda é muito pequeno.

Embora o Δν e θ sejam pequenos, o laser tem alto brilho monocromático. É relatado que o brilho monocromático do laser B_λ produzido por lasers de alta potência é até 100 trilhões de vezes maior do que o do sol.

Direcionalidade forte

Pode-se observar pelo mecanismo de geração do laser que, na condição de meio de propagação uniforme, o ângulo de divergência θ do laser é limitado apenas pelo engate;

θ = 1,22λ / D (2,2)

Na fórmula, λ é o comprimento de onda e D é o diâmetro do ponto da fonte de luz.
A distância entre a terra e a superfície da lua é de cerca de 3,8 × 10⁵km. O feixe de laser atinge a lua com o melhor foco e seu diâmetro de ponto é de apenas dezenas de metros.

Boa Coerência

O intervalo de tempo mais longo durante o qual a luz produz coerência é chamado de tempo de coerência τ. No tempo de coerência, a maior distância que a luz viaja é chamada de comprimento de coerência Lc.

eu_c = cτ = λ²/ Δλ (2.3)

Na fórmula, c é a velocidade da luz.
Como a largura de banda do laser Δλ é muito pequena, o comprimento de coerência Lc é muito longo. Na verdade, se a monocromaticidade for boa, a coerência é boa e o comprimento da coerência também é mais longo.

Energia Altamente Concentrada

Alguns lasers militares, de aviação, médicos e industriais podem produzir alta energia de laser. Por exemplo, a potência de saída de lasers para a fusão nuclear pode ser tão alta quanto 10¹⁸W. Ele pode superar a força repulsiva entre os núcleos e realizar a reação de fusão nuclear. Com o desenvolvimento da tecnologia de pulso ultracurto a laser, as pessoas podem usar a tecnologia de amplificação de pulso para obter lasers. Com potência de pico de até 10¹⁵W de dispositivos a laser safira dopados com Ti usados para gerar pulsos de laser extremamente curtos.

O Princípio Básico da Geração de Laser

A interação da luz e da matéria

Suposições básicas da teoria atômica

Presunção do estado estacionário atômico Toda matéria é composta de átomos. O sistema atômico está em uma série de estados descontínuos de energia. Em torno do núcleo, a órbita dos elétrons é descontínua e o átomo está em um estado estável com energia constante. É chamado de estado estacionário do átomo, e o estado correspondente à energia mais baixa do átomo é chamado de estado fundamental.

Se o elétron na órbita externa do átomo obtém uma certa quantidade de energia de fora. O elétron saltará para o movimento orbital externo. A energia do átomo aumenta e, neste momento, o átomo é chamado de átomo em estado de excitação.

Condições de frequência As transições do átomo de um estado estacionário E₁ para outro estado estacionário E2. A frequência ν é determinada pela seguinte fórmula.

hν = E₂ - E₁ (2.4)

Uma espécie de luz monocromática corresponde a um fóton produzido pela mesma transição de um átomo. hν é a energia de um fóton.

A interação entre o campo de radiação e a matéria, especialmente a interação de co-ressonância, lançou a base física para o advento e desenvolvimento dos lasers. Quando a frequência da onda eletromagnética incidente é consistente com a frequência de ressonância do meio, ocorre a absorção de ressonância (ou ganho). A geração e a interação de luz e matéria envolverão a cooperação do campo e do meio.

Absorção Estimulada

Supondo que os dois níveis de energia do átomo sejam E₁ e E₂, e E₁<E₂ se houver um fóton com a fórmula de satisfação de energia (2.4) irradiado, o átomo pode absorver a energia desse fóton e fazer a transição do nível E de baixo₁ estado para o alto nível O E₂ Estado. Esse tipo de absorção atômica de fótons e a transição de um nível de baixa energia para um nível de alta energia é chamado de processo de absorção estimulada do átomo (Figura 2.2).

Radiação Espontânea

O estado de um átomo em um alto nível de energia após ser excitado é instável. Geralmente, ele só pode ficar na ordem de 10^-8s. Ele voltará espontaneamente a um estado de baixa energia sem influência externa e, ao mesmo tempo, irradiará energia para o mundo exterior. Para o fóton com hν = E₂-E₁, este processo é denominado processo de emissão espontânea do átomo. A radiação espontânea é aleatória, a direção de emissão e a fase inicial de cada fóton de radiação são diferentes, e a radiação de cada átomo é independente uma da outra, então a luz da radiação espontânea é incoerente Figura 2.1.

Emissão estimulada e amplificação óptica

Um átomo em um nível de energia de estado excitado, se for excitado por um fóton com energia externa hν e a fórmula satisfatória (2.4) antes de emitir emissão espontânea, pode fazer a transição de um estado de alta energia para um estado de baixa energia, e em ao mesmo tempo, emitem fótons com a mesma frequência, mesma fase, mesma direção e até mesmo estado de polarização com fótons externos. Este processo é chamado de emissão estimulada de átomos [Figura 2.2]

Se um fóton incidente desencadeia emissão estimulada e adiciona um fóton, esses dois fótons continuam a desencadear a emissão estimulada e adicionam mais dois fótons, e então quatro fótons se multiplicam em oito fótons ... e assim por diante, sob a ação de um fóton incidente, o sistema atômico pode obter um grande número de fótons com exatamente o mesmo estado e características. Este fenômeno é denominado amplificação óptica. Portanto, o processo de emissão estimulada faz com que o sistema atômico irradie um grande número de fótons com a mesma frequência, a mesma fase, a mesma direção de propagação e o mesmo estado de polarização da luz incidente, ou seja, fótons idênticos. A amplificação da luz causada pela radiação estimulada é um conceito básico importante no mecanismo de geração do laser.

Reversão de População

A partir da definição de emissão espontânea e emissão estimulada, pode-se observar que a emissão espontânea do mecanismo emissor de luz das fontes de luz comuns é dominante, mas a emissão de lasers é principalmente a emissão estimulada de átomos. Para que a radiação estimulada domine o sistema atômico e continue a emitir lasers. Devemos tentar mudar a distribuição do sistema atômico quando ele está em equilíbrio térmico para que o número de átomos em altos níveis de energia continue a exceder o número de átomos em baixos níveis de energia, ou seja, o número de partículas é alcançado.

Para conseguir a inversão da população, a energia deve ser inserida no sistema de fora. Para que o máximo possível de partículas no sistema absorva energia. Em seguida, faça a transição de um nível de baixa energia para um nível de alta energia. Este processo é denominado processo de excitação ou bombeamento. Os métodos de excitação geralmente incluem excitação de luz, excitação de descarga de gás, excitação química e até mesmo excitação de energia nuclear. Por exemplo, os lasers de rubi usam excitação óptica, os lasers de hélio-neon usam excitação elétrica e os lasers de corante usam excitação química.

Produção Laser Condições

Em uma substância ativa que atingiu a inversão da população (como excitação de luz ou excitação elétrica), a radiação estimulada pode ser dominada, mas o fóton que primeiro dispara a radiação estimulada é gerado pela radiação espontânea, e a radiação espontânea é aleatória. Portanto, a amplificação da luz alcançada pela radiação estimulada também é aleatória e desordenada no geral. Requer a adição de uma série de dispositivos.

Cavidade Ótica

Dois espelhos paralelos entre si são instalados nas duas extremidades do material de trabalho. Uma cavidade ressonante óptica é formada entre os dois espelhos. Um dos quais é um espelho de reflexão total e o outro é um espelho de reflexão parcial.

Entre os fótons emitidos em todas as direções, exceto os fótons que se propagam ao longo da direção axial. Todos eles deixam a cavidade ressonante óptica rapidamente, e apenas a luz ao longo da direção axial é continuamente amplificada, formando oscilações na cavidade para frente e para trás. Portanto, no tubo do laser, a luz ajustada em etapas é continuamente amplificada para formar luz com maior amplitude. Desta forma, a luz é refletida para frente e para trás entre os espelhos que são paralelos entre si em ambas as extremidades do tubo. Em seguida, a luz totalmente amplificada passa por um espelho parcial para emitir luz monocromática com a mesma fase.

Condição Limiar de Oscilação de Luz

Do ponto de vista energético, embora a oscilação da luz aumente a intensidade da luz, a absorção, a deflexão e a projeção da luz nas duas faces finais e no meio ao mesmo tempo enfraquecem a intensidade da luz. Somente quando o ganho é maior do que a perda, o laser pode ser emitido. Exige que a substância de trabalho e a cavidade ressonante atendam à condição de “ganho maior que a perda”, também chamada de condição de limite.

Condições de frequência

O papel da cavidade ressonante óptica não apenas aumenta o comprimento efetivo L de propagação da luz. Mas também forma uma onda estacionária de luz entre os dois espelhos. Na verdade, a única luz que satisfaz as condições da onda estacionária pode ser amplificada pela radiação estimulada.

De L = kλ_n/ 2 (k = 1,2,3 ...), λ_n= c / nν, temos

ν = kc / 2nL ou Δν = c / 2nL (2,5)

Na fórmula, n é um número inteiro ec é a velocidade da luz.
A frequência ν gerada pela radiação estimulada no tubo laser pode ser obtida a partir da equação (2.4)

ν = (E₂ - E₁ ) / h (2,6)

Na fórmula, h é a constante de Planck.

Para fazer a frequência atender a fórmula (2.5) e a fórmula (2.6). O comprimento da cavidade ressonante precisa ser ajustado. Em resumo, as condições básicas para formar um laser são as seguintes.

• A substância ativa pode atingir a reversão da população sob a excitação da fonte de excitação.
• A cavidade ressonante óptica pode amplificar continuamente a radiação estimulada. Ou seja, atenda à condição de limite de que o ganho seja maior do que a perda.
• Satisfazer as condições de frequência da fórmula (2.5) e fórmula (2.6)

Parâmetros característicos da qualidade do feixe de laser

Os lasers têm sido amplamente usados em muitos campos, de modo que os requisitos para a qualidade do feixe de laser estão cada vez maiores. Os parâmetros do feixe (como distribuição da intensidade da luz, largura do feixe e ângulo de divergência, etc.) são fatores importantes que determinam o efeito das aplicações do laser. Como usar um método simples, preciso e prático para medir e avaliar a qualidade do feixe de lasers emitidos por lasers tornou-se uma questão chave na pesquisa de tecnologia de laser. Os pesquisadores usaram parâmetros característicos de focalização de feixe de laser K_f, limite de difração múltiplo M² fator, ângulo de divergência de campo distante θ₀, limite de difração de feixe de fator múltiplo β e razão de Strehl S_r para avaliar a qualidade do feixe de laser, mas esses métodos são adequados para diferentes A avaliação da qualidade do laser do aplicativo não conseguiu formar um padrão unificado para avaliar a qualidade do feixe de laser.

Parâmetro K da característica de focalização do feixe_f

O parâmetro de característica de foco do feixe Kf, também conhecido como produto do parâmetro do feixe (BPP, produto dos parâmetros do feixe), é definido como 1/4 do produto do diâmetro da cintura do feixe d₀ e o ângulo de divergência de campo distante do feixe θ₀

K_f= d₀θ₀/4 (2.7)

A Equação (2.7) descreve o princípio de que o produto do diâmetro da cintura do feixe e do ângulo de divergência do campo distante é constante, e K_f é uma constante em todo o sistema de conversão de transmissão de feixe, adequado para avaliação da qualidade do feixe de laser no campo industrial

O limite de difração múltiplo M² fatores

Em 1988, AE Siegman definiu o produto da largura do feixe expresso pelo segundo momento com base no limite espacial do feixe real e o limite de frequência espacial como a qualidade do feixe M² fator, que equivale à quantidade infinita de informações que descrevem a amplitude complexa da onda de luz, por meio da forma Retangular de segunda ordem para extrair o fator de combinação, uma descrição mais razoável da qualidade do feixe de laser, foi adotada pela Organização Internacional para Padronização 1SO / TC172 / SC9 / WG1 padrão preliminar em 1991. O M² fator é definido como

M2 = (diâmetro real da cintura do feixe x ângulo real de emissão do campo do feixe) / (diâmetro ideal da cintura do feixe x ângulo ideal de emissão do campo do feixe) = (πd0θ0) / (4λ) (2,8)

Na fórmula, d₀ é o diâmetro da cintura do feixe de laser: θ₀ É o ângulo de divergência de campo distante; λ é o comprimento de onda.

Eles² fator é um parâmetro comumente usado para avaliar a qualidade dos feixes de laser e também é chamado de fator de qualidade do feixe. No entanto, deve-se ressaltar que a definição do M² O fator é baseado na definição da matriz de segunda ordem da largura do feixe no limite espacial e no limite de frequência espacial. A largura da cintura do feixe de laser é determinada pela distribuição da intensidade da luz na seção transversal da cintura do feixe e o ângulo de divergência do campo distante é determinado pela distribuição de fase. Portanto, o M² O fator pode refletir a distribuição de intensidade e as características de distribuição de fase do campo de luz e caracteriza a extensão em que um feixe real se desvia da velocidade de divergência de difração limite. Quanto maior o M² fator, mais rápido o feixe marcando uma divergência.

Ângulo de divergência de campo distante θ

Supondo que o feixe de laser seja transmitido ao longo do eixo z, o ângulo de divergência do campo distante é θ0, expresso pela fórmula da assíntota como

θ₀= lim = (w (z)) / z (2,9)

Na fórmula, w (z) é o raio da cintura do feixe quando o laser se propaga para o eixo z. O ângulo de divergência de campo distante caracteriza a divergência característica do processo de propagação do feixe, obviamente, θ₀ Quanto maior a divergência do feixe, mais rápido. Na medição real, depois de focar ou expandir o feixe de laser medido usando um sistema óptico de focagem ou um sistema de foco de expansão de feixe, a razão da largura do feixe medida no plano focal para a distância focal do sistema óptico de focagem é usada para obter o ângulo de divergência de campo. Por causa de θ₀, o tamanho pode ser alterado pela expansão do feixe ou foco (como usar um telescópio para expandir o feixe), portanto, não é preciso usar o ângulo de divergência do campo distante como o critério de qualidade do feixe.

Brilho do feixe de laser B

O brilho é um parâmetro importante que descreve as características dos lasers. De acordo com os conceitos ópticos tradicionais, o brilho de um feixe de laser refere-se à energia emitida por uma área unitária da superfície da fonte de luz perpendicular a um ângulo sólido unitário, expressa como

B = P / ΔSΔΩ (2.10)

Na fórmula, P é a potência (ou energia) total emitida pela fonte de luz; ΔS é a área de emissão de luz da fonte de luz da unidade; ΔΩ é o ângulo sólido de emissão. O feixe de laser é transmitido em um meio sem perdas ou em um sistema óptico sem perdas, e o brilho da fonte de luz permanece o mesmo.

Fator de qualidade de feixe equivalente M²_e

Como dentro do tamanho do ponto equivalente definido pelo momento de segunda ordem, a porcentagem da potência do feixe em relação à potência total depende da distribuição do campo de luz, um método de descrição da qualidade do feixe estipula: o tamanho do ponto da cintura do feixe e a distância - ângulo de divergência de campo definido na área, a razão da potência do laser para a potência total é 86,5%, e seu fator de qualidade de feixe equivalente é

M²_e = πω86,5θ86,5 / λ (2.11)

Na fórmula, ω é o raio da cintura do feixe; θ é o ângulo de divergência de campo distante.

Limite de difração de feixe de fator múltiplo β

Do ângulo de divergência de campo distante θ. O valor β pode ser definido como

β = (ângulo de divergência de campo distante do feixe real) / (ângulo de divergência de campo distante do feixe ideal) = θ₀/ θ_º (2.12)

O valor β caracteriza o grau em que a qualidade do feixe do feixe de laser medido se desvia da qualidade do feixe ideal nas mesmas condições. O valor β do laser medido é geralmente maior que 1. Quanto mais próximo o valor β estiver de 1, melhor será a qualidade do feixe. β = 1 é o limite de difração. O valor β é usado principalmente para avaliar o feixe de laser recém-emitido do ressonador de laser. Ele pode avaliar razoavelmente a qualidade do feixe de campo próximo. É um índice de desempenho estático e não considera o efeito da atmosfera na turbulência de espalhamento do laser. A medição do valor β depende de Para a medição precisa do ângulo de divergência do campo distante do feixe, ele não é adequado para avaliar feixes de longa distância.

Razão de Strehl S_r

Razão de Strehl S_r é definido como

S_r= (intensidade máxima da luz no eixo óptico real) / (intensidade máxima da luz no eixo óptico) / = exp- (2π / λ) 2 (ΔΦ) 2 (2.13)

Na fórmula, ΔΦ se refere à distorção da frente de onda que causa a degradação da qualidade do feixe. S_r reflete o pico de intensidade de luz no eixo do campo distante. Depende da distorção da frente de onda e pode refletir melhor a influência da distorção da frente de onda do feixe na qualidade do feixe. A razão de Strehl é frequentemente usada em óptica atmosférica, principalmente para avaliar o desempenho de sistemas ópticos adaptativos para melhorar a qualidade do feixe. Mas S_r reflete apenas o pico de intensidade de luz no eixo óptico de campo distante e não pode fornecer a distribuição de intensidade de luz que preocupa as aplicações de energia. Além disso, ele pode apenas refletir aproximadamente a qualidade do feixe e não pode fornecer uma orientação muito útil no projeto de sistemas ópticos.

Valor BQ da relação de energia circundante

A relação de energia circundante, também conhecida como a relação de potência na superfície do alvo (ou no barril), é definida como a energia circundante (ou potência) do ponto real dentro do tamanho especificado e a energia circundante (ou potência) do ponto ideal dentro do mesmo tamanho e o ideal dentro do mesmo tamanho A raiz quadrada da proporção da energia (ou potência) ao redor do ponto. Sua expressão é

BQ = √ (E / E₀) ou BQ = √ (P / P₀) (2.14)

Na fórmula, E₀ (Ou P₀) e E (ou P) são respectivamente o ponto ideal do feixe ao redor da energia (ou potência) e o ponto do feixe real medido ao redor da energia (ou potência) dentro do tamanho especificado no alvo. O valor BQ é para transmissão e acoplamento de energia Este tipo de aplicação combina a concentração de energia do feixe no alvo para avaliar a qualidade do feixe de campo distante. O valor BQ inclui fatores atmosféricos. É um índice abrangente que descreve a qualidade do feixe da perspectiva de aplicações de engenharia e efeitos de danos e é um índice dinâmico do sistema de laser afetado pela atmosfera. O valor BQ conecta diretamente a qualidade do feixe e a densidade de potência e é um reflexo da concentração de energia. Tem significado prático para o estudo do acoplamento de energia e dos efeitos destrutivos do laser forte e do alvo.

Além dos parâmetros acima, pureza de modo, coerência espacial e coerência global são freqüentemente usados para descrever a qualidade do feixe de lasers. Vários parâmetros para avaliar a qualidade do feixe têm suas próprias vantagens e limitações. A Tabela 2.1 resume as vantagens e desvantagens de vários parâmetros e campos aplicáveis.

Parâmetros	Vantagens	Limitações	Formulários
Kf	Inclui apenas os dois fatores de diâmetro do feixe e ângulo de divergência de campo distante do feixe	Não pode refletir a distribuição espacial da intensidade da luz	É adequado para campos industriais
M2 fator	Eles podem refletir objetivamente o ângulo de divergência do campo distante e o conteúdo do modo de alta ordem do feixe e podem analisar e caracterizar a relação de transformação da transmissão do feixe	A introdução de parâmetros de comprimento de onda não é adequada para comparação entre a qualidade dos feixes de laser de diferentes comprimentos de onda	A largura e divergência do feixe definidas com base no ângulo de momento de segunda ordem, adequado para o campo da transmissão linear do feixe
θ0	Caracteriza o grau de divergência do feixe	Não pode refletir a distribuição espacial da intensidade da luz	Compreensão simples das características do feixe
B	Caracteriza a coerência do feixe	Não pode refletir a distribuição espacial da intensidade da luz	Display e iluminação
M2e	Define a largura do feixe de acordo com 86,5% da intensidade da luz	A introdução de parâmetros de comprimento de onda não é adequada para comparação entre a qualidade dos feixes de laser de diferentes comprimentos de onda
β	Apenas um parâmetro de θ precisa ser medido	θ pode ser alterado, a seleção de feixe padrão não é uniforme	A avaliação da qualidade do feixe de laser de cavidade instável
Sr	Pode refletir objetivamente o pico de intensidade da luz no eixo	Não pode refletir a distribuição espacial da intensidade da luz	Óptica atmosférica e radar óptico
Válvula BQ	Reflete a concentração de energia no ponto focal no campo distante do feixe	A energia no barril pode ser obtida a partir de diferentes distribuições de energia do feixe	A qualidade do feixe de laser da cavidade instável é avaliada
Pureza do modo	Uma medida do desvio da distribuição real da intensidade do feixe da distribuição ideal da intensidade do feixe	Não universal
Coerência espacial	Reflete a coerência espacial do feixe	Não universal
O grau global de coerência	Reflete a coerência espacial do feixe	Não universal

A forma de saída do feixe de laser

A forma espacial do feixe de laser é determinada pela cavidade ressonante do laser. Sob determinadas condições de contorno, a distribuição do campo eletromagnético na cavidade ressonante é determinada resolvendo a equação de onda. Em uma cavidade circular simétrica, há uma forma espacial simples do campo eletromagnético transversal.

A distribuição do campo eletromagnético transversal na cavidade é chamada de modo transversal na cavidade, que é expressa por TEM_mn. TEM₀₀ representa o modo fundamental, TEM₀₁, TEM₀₂ e TEM₁₀, TEM₁₁, TEM₂₀ representam modos de baixa ordem e TEM₀₃, TEM_04, e TEM₃₀, TEM₃₃, TEM₂₁, etc. representam modos de alta ordem. A saída da maioria dos lasers é o modo de alta ordem. Para obter a saída do modo fundamental ou modo de ordem inferior, é necessário adotar a tecnologia de seleção de modo.

No momento, as técnicas de seleção de modelo comumente usadas são baseadas no aumento da perda de difração na cavidade. Um método é aumentar o comprimento da cavidade usando uma cavidade multi-refrativa para aumentar a perda de difração na cavidade. O outro método é reduzir o diâmetro do tubo de descarga do laser ou aumentar o comprimento da cavidade. Um diafragma de pequena abertura é adicionado à cavidade. A perda de difração do feixe de modo fundamental é muito grande e pode atingir o limite de difração, então o ângulo de divergência do feixe de modo fundamental é pequeno. Do ponto de vista de aumentar a eficiência do bombeamento do laser, o volume do modo de cavidade deve preencher todo o meio ativo tanto quanto possível, ou seja, no laser de tubo longo, o TEM₀₀ a saída do modo domina, enquanto na oscilação do laser do modo de alta ordem, o modo fundamental representa apenas uma pequena quantidade da potência do laser. Parte, então a potência de saída do modo de alta ordem é grande.