Laser

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Laser
Demonstração de um laser no laboratório Kastler-Brossel

Laser (cuja sigla em inglês significa Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, ou seja, Amplificação da Luz por Emissão Estimulada de Radiação) é um dispositivo que produz radiação eletromagnética com características muito especiais: ela é monocromática (possui comprimento de onda muito bem definido), coerente (todas as ondas dos fótons que compõe o feixe estão em fase) e colimada (propaga-se como um feixe de ondas praticamente paralelas).

Histórico[editar | editar código-fonte]

Em 1905, Albert Einstein com o auxílio do trabalho de Max Planck, postulou que a luz é formada por pacotes discretos e bem determinados de energia denominados quanta de luz, mas foram chamados de fótons, termo cunhado por Gilbert N. Lewis.[1]

Em 1913 o dinamarquês Niels Bohr apresentou seu modelo de átomo, onde os elétrons orbitam o núcleo em níveis bem determinados, sendo que só podem "saltar" de um nível para outro se receberem ou emitirem fótons com a quantidade de energia (que pode ser expressa pelo seu comprimento de onda) exata, exigida para o salto completo.

Em 1925, Erwin Schrödinger e Werner Heisenberg modificaram a forma de se interpretar o modelo de átomo de Bohr, postulando que os elétrons são partículas que apresentam propriedades de ondas, cujo comportamento pode ser totalmente explicado pelas funções de onda. Tais funções foram desenvolvidas por Schrödinger e preveem os diferentes níveis que o elétron pode assumir no átomo e as exatas energias associadas, isso significa que cada tipo determinado de átomo pode ser excitado sempre em quantidades bem definidas através da absorção de um tipo determinado de fóton de comprimento de onda específico.

Em 1953, Charles Hard Townes, James P. Gordon e Herbert J. Zeiger produziam o primeiro maser (microwave amplification through stimulated emission of radiation), um dispositivo similar ao laser, que produz microondas, em vez de luz visível. O maser de Townes não tinha capacidade de emitir as ondas de forma continua. Nikolai Basov e Aleksander Prokhorov, da União Soviética, ganhadores do Prêmio Nobel em 1964, trabalharam de forma independente, em um oscilador quantum e resolveram o problema da emissão continua, utilizando duas fontes de energia, com níveis diferentes.

Em 1959, Gordon Gould publicou o termo LASER no artigo:The LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation[2] [3] . A intenção lingüística de Gould era usar a palavra "-aser" como um sufixo para denotar com precisão o espectro da luz emitida pelo aparelho de laser, deste modo: raios-x, Xaser, ultravioleta: uvaser.

Em 1960, Theodore Harold Maiman produz o primeiro laser[4] , um laser de de três níveis, que utiliza rubi como meio ativo[5] . O rubi a laser produz luz pulsada na ordem de milissegundos com comprimento de onda de 694.3 nm, que enxergamos vermelha.

Funcionamento[editar | editar código-fonte]

O efeito físico por trás do funcionamento do laser: em determinados materiais quando em estado instável de alta energia, se corretamente estimulados, decaem sua energia emitindo fótons coerentes com o estímulo original, cujas ondas estão em sincronia (em fase) entre si. O laser distingue de outras fontes de luz por sua coerência espacial e temporal. A coerência espacial é tipicamente expressa através da saída de um feixe estreito, que possui difração limitada, muitas vezes chamado de "feixe de lápis". Coerência temporal (ou longitudinal) implica uma onda polarizada em uma única frequência, cuja fase está correlacionada a uma distância relativamente grande (o comprimento de coerência) ao longo do feixe.[6]

Einstein descobriu, através de considerações teóricas, que não apenas um elétron absorve um fóton (a partícula de luz) incidente e o reemite ao acaso após certo tempo (emissão espontânea), mas que também este mesmo elétron deve reemitir seu fóton absorvido se um segundo fóton interage com ele (emissão estimulada). O fóton reemitido tem o mesmo comprimento de onda do fóton que o estimulou e, igualmente importante, tem a mesma fase.

Um laser funciona desde que se consiga excitar um número mínimo de elétrons de determinado material para um nível de energia superior, de modo a se obter uma inversão de população (quando existem mais elétrons excitados do que elétrons no estado fundamental). Quando isso ocorre, estimulam-se alguns elétrons a emitirem seus fótons, o que vai iniciar um efeito em cascata de modo que o fóton emitido por um elétron estimula o elétron seguinte a emitir outro fóton de igual comprimento de onda e fase, o que vai amplificando a emissão de feixes de luz de comprimento de onda definido e coerente.

Para que tudo isso funcione, entretanto, é necessária uma realimentação, ou seja, por certo tempo manter fótons emitidos estimuladamente interagindo com outros elétrons. Isso é obtido com uma cavidade óptica, uma região do espaço em que se confina luz por algum tempo com o uso de espelhos altamente refletores e convenientemente alinhados que vão refletindo várias vezes os fótons. Num dos espelhos existe um pequeno orifício por onde alguns fótons depois de muitas vezes refletidos conseguem sair emitindo o feixe colimado de luz. Há também os lasers super radiantes, como o laser de nitrogênio e alguns lasers de corante que não precisam de espelhos para funcionar. Entretanto, para se compreender perfeitamente um laser, faz-se necessário o uso da mecânica quântica.

A luz gerada por emissão estimulada é muito semelhante à do sinal de entrada, em termos de comprimento de onda, fase e polarização. Isto dá ao laser a sua coerência característica, e permite-se a manutenção da polarização uniforme e monocromaticidade estabelecida pela concepção da cavidade óptica. O feixe na cavidade e o feixe de saída do laser, quando viajam em espaço livre (ou um meio homogêneo) ao invés de guias de ondas (como um laser de fibra óptica), pode ser aproximado como um feixe de Gauss, na maioria dos lasers tais feixes exibem a divergência mínima para um determinado diâmetro. No entanto, alguns lasers de alta potência podem ser multimodo, com os modos transversais muitas vezes aproximadas utilizando Hermite-Gaussian ou funções de Laguerre-Gauss. Tem sido demonstrado que a laser ressonantes instáveis ​​(não utilizado na maioria dos lasers) produzem feixes em forma fractal [7] , nas proximidades do feixe de "cintura" (ou região focal) é altamente colimada: as frentes de onda são planar, perpendiculares à direção de propagação, sem divergência do feixe naquele ponto. No entanto, devido à difração, que só pode permanecer fiel bem dentro da faixa de Rayleigh, O feixe de um modo transversal único (feixe gaussiano), eventualmente, diverge em um ângulo que varia inversamente com o diâmetro do feixe, conforme exigido pela teoria de difração. Assim, o "feixe de lápis" gerado diretamente por um laser de hélio-neon comum iria espalhar-se para um tamanho de talvez 500 quilômetros quando apontado para Lua (a partir da distância da Terra). Por outro lado, a luz de um laser semicondutor normalmente sai do minúsculo cristal com uma grande divergência: até 50°,no entanto, mesmo tal feixe divergente pode ser transformado em um feixe colimado de forma semelhante por meio de um sistema de lentes, tal como é sempre incluídos, por exemplo, em um ponteiro laser, cuja luz origina a partir de um diodo laser. Isso é possível devido à luz ser de um único modo espacial.

Tipos de laser[editar | editar código-fonte]

Utilizações do laser[editar | editar código-fonte]

Experimento com Laser (Forças Armadas dos Estados Unidos).

Por suas propriedades especiais, o laser é hoje utilizado nas mais diversas aplicações: médicas (cirurgias), na Fisioterapia como anti-inflamatório, regenerador e analgésico, industriais (cortar metais, medir distâncias), pesquisa científica (pinças ópticas, hidráulica, física atômica, óptica quântica, resfriamento de nuvens atômicas, informação quântica), comerciais (comunicação por fibras ópticas, leitores de códigos de barras), no campo bélico (miras lasers) e mesmo todos os dias em nossas casas (aparelhos leitores de CD, DVD e Blu-Ray, laser pointer usado em apresentações com projetores).

É produzido por materiais como o cristal de rubi dopado com safira, mistura de gases no caso do hélio e neônio, dispositivos de estado sólido como Laser Díodo, moléculas orgânicas como os lasers de corante.

No uso industrial, o laser de CO2 (dióxido de carbono) vem cada dia mais sendo utilizado, sendo hoje essencial. Muito competitivo por ser um processo rápido para o corte e solda de diversos materiais com muita agilidade devido às maquinas que utilizam o laser serem CNC.

Termos de segurança do laser[editar | editar código-fonte]

Normalmente os lasers são etiquetados pela sua potência, que identifica o nível de perigo do laser (observação: essas são as classes antigas)

  • Classe I/1

É perfeitamente segura, normalmente porque a luz é contida internamente em um dispositivo, por exemplo CD players, ou porque a potência é muito baixa (0.1 miliwatts)

  • Classe II/2

O reflexo do olho humano (aversão) previne dano ocular, a não ser que a pessoa deliberadamente olhe para o feixe por um período prolongado. Essa classe apenas inclui para lasers que emitem luz visível (até 1 miliwatt).

  • Classe IIa/2a

A região logo no início da classe II, onde o laser precisa de pelo menos 1000 segundos contínuos para causar algum dano permanente à retina. Scanners a laser comerciais estão nessa classe.

  • Classe IIIa/3a

Lasers dessa classe são em sua maioria perigosos em combinação com instrumentos ópticos que podem mudar o diâmetro ou a densidade de potência. A potência de saída não excede 5 miliwatts. A densidade não excede 2,5 miliwatts por centímetro quadrado. Muitas miras a laser para armas e apontadores laser estão nessa categoria.

  • Classe IIIb/3b

Lasers dessa potência poderão causar danos se houver contato direto com a retina. Aplica-se a lasers entre 5 e 500 miliwatts. O dano permanente pode ocorrer em um décimo de segundo ou menos dependendo da potência do laser. Reflexões não são um problema, mas podem causar danos se forem reflexões diretas (como espelhos ou metais altamente polidos/reflexivos). Proteção ocular é recomendada quando um contato direto poderá ocorrer. Lasers no final dessa categoria (logo antes da Classe IV) também podem atear fogo em alguns objetos e levemente queimar a pele. "apontadores laser" nessa categoria são chamados de Laser de mão.

  • Classe IV/4

Lasers classe 4 (mais de 500 miliwatts) podem causar queimaduras na pele e danos permanentes severos ao olho sem o uso de lentes ou equipamento óptico extra. Reflexões difusas também podem causar tais danos à pele e aos olhos. A maioria dos lasers militares, industriais, científicos e médicos estão nessa categoria.

Propriedades do laser[editar | editar código-fonte]

  • Comprimento de Onda

Depende do material que emite luz, do sistema óptico e da forma de energizá-lo. A luz emitida pelo laser é sempre monocromática.

Teste com Laser (das Forças Armadas dos Estados Unidos).

A luz laser provem predominantemente de uma transição determinada entre níveis de energia e é portante quase monocromática. (a vibração térmica dos átomos e a presença de impurezas faz com que estejam presentes outros comprimentos de onda);

Exemplos:

Elemento Comprimento de onda
Fluoreto de argônio (UV) 193 nm;
Fluoreto de criptônio (UV) 248 nm;
Cloreto de xenônio (UV) 308 nm;
Nitrogênio (UV) 337 nm;
Argônio (azul) 488 nm;
Argônio (verde) 514 nm;
Hélio-neônio (verde) 543 nm;
Hélio-neônio (vermelho) 633 nm;
Corante Rodamina 6G (ajustável) 570-650 nm;
Rubi (CrAlO3) (vermelho) 694 nm;
Nd:Yag (NIR) 1.064 nm;
Dióxido de carbono (FIR) 10.600 nm.
  • Potência de Saída
    • Gás Hélio-Neônio (dezenas de "mW")
    • Dióxido de carbono (centenas de "kW" em feixe contínuo)

Os lasers de operação continua podem ter potências de saída entre 0.5 mW a 100W ou mais. os lasers pulsados têm níveis de potencia até terawatts, mas apenas para impulsos de muito pouca duração - de microssegundos ou mesmo nanosegundos.

  • Coerência
    • Feixe coerente / Estão em fase.
    • Devem ter o mesmo sinal.
    • A coerência é necessária para algumas aplicações.

A luz laser é coerente quando emerge do espelho de saída e continua até uma certa distância do laser que se chama a distancia de coerência. (Pequenas variações na fase, induzida por vibrações térmicas e outros efeitos, fazem com que o feixe eventualmente perca coerência).

  • Eficiência
    • De 20% a 0,001%.
    • A eficiência é importante para sistemas com grande potência.
  • Intensidade de Potência
    • Da ordem de 10^16 W/cm² (baixa divergência).

Como a luz do laser emerge perpendicularmente ao espelho de saída, o feixe tem uma divergência muito pequena, são tipicas divergências de 0.001radianos.

Exemplos em termos de potência[editar | editar código-fonte]

Diferentes aplicações precisam lasers com diferentes potências de saída. Os lasers que produzem uma feixe contínuo ou uma série de impulsos curtos podem ser comparados com base na sua potência média. Os lasers que produzem impulsos podem também ser caracterizado com base na potência de pico de cada impulso. O pico de potência de um laser pulsado é várias ordens de grandeza maior do que a sua potência média. A potência média de saída é sempre menor do que a energia consumida.

Potência Aplicação
1–5 mW Apontadores
5 mW Drive CD-ROM
5–10 mW DVD player ou drive DVD-ROM
100 mW Gravador de CD-RW de alta velocidade
250 mW Gravador DVD-R
400 mW Gravador dual-layer DVD 24×[8]
1 W Laser verde do prototipo de disco holográfico versátil.
1–20 W Saída da maioria dos lasers de estado sólido disponíveis no mercado para micro usinagem
30–100 W Típico laser cirurgico de CO2 [9]
100–3000 W Típico laser de CO2 usado em corte industrial
100 kW Saída alegada do laser de CO2 para uso militar desenvolvido pela Northrop Grumman

Referências

  1. [1]. The origin of the word "photon"
  2. Gould, R. Gordon (1959). "The LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation". In Franken, P.A. and Sands, R.H. (Eds.). The Ann Arbor Conference on Optical Pumping, the University of Michigan, 15 June through 18 June 1959. p. 128. OCLC 02460155.
  3. Chu, Steven; Townes, Charles (2003). "Arthur Schawlow". In Edward P. Lazear (ed.),. Biographical Memoirs. vol. 83. National Academy of Sciences. p. 202. ISBN 0-309-08699-X.
  4. Douglas, Martin (May 11, 2007). Theodore Maiman, 79, Dies; Demonstrated First LASER New York Times
  5. Patente E.U.A. 3 353 115
  6. Conceptual physics, Paul Hewitt, 2002
  7. G. P. Karman, G. S. McDonald, G. H. C. New, J. P. Woerdman, "Laser Optics: Fractal modes in unstable resonators", Nature, Vol. 402, 138, November 11, 1999.
  8. "Laser Diode Power Output Based on DVD-R/RW specs". elabz.com. Retrieved December 10, 2011.
  9. George M. Peavy, "How to select a surgical veterinary laser", veterinary-laser.com. URL accessed March 14, 2008.

Ver também[editar | editar código-fonte]

Ligações externas[editar | editar código-fonte]

  • [2] - Os lasers mais potentes do mundo