Laser

 Nota: Para outros significados, veja Laser (desambiguação).

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

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 (quanta, plural de quantum, em latim), mais tarde chamados de fótons. 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, desenvolvidas por Schrödinger, que preveem, inclusive, 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 (ter a energia de seu último elétron aumentada, com um consequente salto desse elétron, para determinado nível superior) 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. Mais tarde, o maser foi adaptado para emitir luz visível, então batizado de laser.

Funcionamento

O efeito físico por trás do funcionamento do laser é que os elétrons de 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. 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.

Tipos de laser

• Lasers de gás
• Lasers químicos
• Excimer lasers
• Laser de estado sólido
• DPSS
• Dye Laser (Laser de corante)

Utilizações do laser

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

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

• 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: 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 0.5mW 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 divergencia muito pequena, são tipicas divergencias de 0.001radianos.

Ver também

• Telemetria laser
• Velocimetria laser
• Leitor de CD
• Holografia
• Corante laser
• Laser Díodo
• Meio Ativo

Ligações externas

• [1] - Os lasers mais potentes do mundo