|
|
LASER
POSICIONAMENTO HISTÓRICO
|
|
|
O quantum | Processos de Absorção
| O que é laser? |
|
Um pouco da história do Laser |
Aplicações
do LASER |
|
|
Posicionamento histórico:
Desde a antigüidade a necessidade humana de compreender o
mundo nos levou a questionar a natureza. A óptica integrou
o processo a partir do momento em que a luz passou a ser entendida
como a própria natureza(ou como meio de se chegar a ela).
A compreensão do que as nossas sensações visuais eram advindas
da luz refletida pelos corpos foi revolucionária e rendeu
à Óptica estudos mais detalhados de fenômenos considerados
atuações divinas. O eletromagnetismo e a mecânica Quântica,
aliaram-se à Óptica oferecendo subsídios para a exploração
da luz nas diversas áreas do conhecimento humano. Em 1960,
pela primeira vez obteve-se o raio LASER, um feixe de luz
que apresenta características diferentes da luz do sol ou
de uma lâmpada incandescente, por ser gerado de forma distinta.
Considera-se, atualmente, que a história do Laser começou
em 1917, com a publicação de "on The Quantum Theory of Radiations"
(Sobre a Teoria Quântica da Radiação), de Albert Einstein.
Porém a história da busca desse dispositivo começou efetivamente
alguns séculos antes. Mesmo sem saber, Galileu(1564-1642),
Newton(1642-1727) e até os filósofos da Antigüidade colaboraram
com o primeiro "disparo", em 1960, movidos apenas pelo objetivo:
a necessidade de compreender o mundo tal qual ele verdadeiramente
se apresentava, sem a interferência dos dogmas e convenções
do teocentrismo medieval ou demais instituições de outras
épocas.
Entretanto houve muitos outros nomes no decorrer dos séculos,
cada qual com descobertas inestimáveis para o avanço da ciência.
Muitos foram os homens, mas talvez por culpa da historiografia
que os ocultou, ou mesmo devido aos fins deste trabalho, não
serão aqui citados, apesar da glória de suas descobertas,
fundamentais ao longo do processo científico. Sir Isaac Newton
baseou-se no que ele próprio chamava "filosofia experimental",
e possivelmente por ter seguido essa linha essencialmente
empirista que evitava especulações quaisquer, manteve-se ambivalente
quanto à natureza corpuscular ou ondulatória da luz(dúvida
que ainda hoje é considerada pela Mecânica Quântica). Foram
tantas, porém, as descobertas de Newton, mesmo em outras áreas
da Física, que seu mérito manteve-se assegurado.
Apesar da dúvida, Newton progressivamente passou a aderir
à teoria corpuscular(apesar de nunca ter rejeitado a natureza
de ondas), pois com a teoria ondulatória, não conseguia explicar
a propagação retilínea da luz ("Ondas se propagam em todas
as direções"). Foram Young (1772-1829) e Fresnel (1788-1827)
os primeiros a se apoiarem na teoria ondulatória, incorporando-lhe
e unificando-lhe conceitos(princípio da interferência, Tc....).
Em 1845, Faraday (1791-1867) passou a relacionar o Eletromagnetismo
com a Óptica em suas experiências(Efeito Faraday) e Maxwell
(1831-1879) formulou os conhecimentos experimentais acumulados
sobre fenômenos elétricos e magnéticos nas conhecidas "equações
de Maxwell", concluindo: a luz é "uma perturbação eletromagnética
que, sob a forma de ondas se propaga através do éter. Maxwell
morreu antes de Hertz (1857-1894) confirmar suas equações
produzindo e detectando ondas eletromagnéticas em 1888.
Através do então paralelo criado entre eletromagnetismo e
luz, foi possível compreender fenômenos observados já na época
de Newton, mas que se mantinham inexplicáveis, dentre os quais
a polarização da luz. Faraday descobrira que a direção de
polarização de um feixe podia ser alterada por um campo magnético
intenso. Sendo a luz uma onda eletromagnética, evidentemente
poderia ser polarizada. Observou-se: a polarização linear,
na qual a orientação do campo elétrico é constante, sendo
sua projeção apenas uma linha; a polarização circular, na
qual o campo elétrico sofre rotação e a amplitude permanece
constante, sendo sua projeção um círculo; e finalmente, a
polarização elíptica(a mais abrangente de todas), na qual
tanto a orientação quanto a amplitude são variáveis, de forma
que se obtém uma elipse ao projetar a onda em vários instantes
num mesmo plano bidimensional. Porém quando se fala em natureza
corpuscular ou ondulatória, ondas eletromagnéticas e polarização,
não se fala necessariamente sobre Laser, mas sobre luz. O
Laser apresenta todas essas características, mas uma lâmpada
incandescente ou a luz solar também as possuem. É a forma
de interação entre a luz e matéria que diferencia um raio
Laser de um raio de sol.
Na óptica do século XX, muitas mudanças ocorreram: o éter
foi abandonado com o advento da teoria da relatividade restrita
(1905), surgiu a Mecânica Quântica e novamente a natureza
de onda ou partícula passou a ser questionada. No final dos
anos vinte, Bohr, Born, Schrödinger, De Broglie, Pauli, Dirac
e outros transformaram a Mecânica Quântica em uma teoria bem
fundamentada e a resposta à natureza foi dada: a luz é uma
onda-partícula. A discussão ainda não se encerrou.
|
|
Voltar
ao Início |
|
O quantum

Em 1900, o físico alemão Max Planck propôs que a energia de
radiação eletromagnética não seria infinitamente divisível.
De acordo com Planck, essa energia seria perdida ou recebida
em um número inteiro de pacotes de energia, denominado quantum.
Em latim, quantum significa quantidade fixa. No plural, a palavra
é quanta.
Comparando a idéia de quantum de energia a um carregamento
de café, podemos dizer que o caminhão deverá ser carregado(ou
descarregado) por meio de número inteiro de sacos. Da mesma
maneira, a energia da radiação eletromagnética se manifesta
sempre por meio de um número inteiro de "pacotes". Segundo Einstein,
a luz seria formada de "pacotes" que , no caso da energia das
ondas eletromagnéticas, recebem o nome particular de fótons.
Na teoria de Planck, cada fóton seria correspondente ao quantum
de energia.
|
|
|
|
Voltar
ao Início |
|

|
|
Voltar
ao Início
|
|
Processos de absorção e emissão de fótons.
O modelo atômico de Rutherford-Bohr
- Os elétrons nos átomos movimentam-se ao redor do núcleo em
trajetórias circulares, chamadas camadas de energia.
Cada um desses níveis possui um valor determinado de energia.
- Não é permitido a um elétron permanecer entre dois desses
níveis.
- Ao receber energia, os elétrons poderiam saltar para um nível
mais energético. Esse fenômeno foi denominado salto quântico.
Retornando para sua posição original, o elétron devolveria a
energia recebida sob a forma de ondas eletromagnéticas, por
exemplo na forma de luz.
|
|

|
|
Um
fóton de uma certa energia E incide sobre um átomo que está
no estado fundamental. Se a energia E do fóton for exatamente
igual à diferença entre a energia do estado excitado, E2, e
a energia do estado fundamental, E1, isto é, E = E2 - E1, o
átomo pode absorver o fóton e passar do estado de menor para
o estado de maior energia. Se a energia E do fóton for maior
ou menor que a diferença E2 - E1, o fóton não pode ser absorvido.
O fóton é simbolizado por um traço ondulado com uma seta na
ponta. Veja como é representado o processo de absorção de um
fóton de energia E = E2 - E1.
Um átomo excitado, normalmente, não fica muito tempo nesse estado.
A não ser que algum fator externo o impeça, depois de um tempo
muito curto ele volta ao estado fundamental. Alguns estados
excitados, porém, podem ter vida mais longa e são chamados de
meta-estáveis. Eles são essenciais para o funcionamento do laser.
Só existe um processo de absorção de fótons mas existem dois
processos de emissão. No processo chamado de emissão espontânea,
o átomo passa do estado excitado para o estado fundamental sem
nenhuma ajuda externa, emitindo um fóton de energia E2 - E1.
Mas existe outro processo de desexcitação, chamado de emissão
estimulada, no qual a desexcitação é induzida por um fóton que
tem exatamente a energia E = E2 - E1. O fóton estimulador passa
incólume, sem perder nem ganhar nenhuma energia, mas provoca
a emissão(estimulada) de outro fóton com a mesma energia. Os
dois fótons, estimulador e estimulado, são coerentes, isto é,
têm mesma freqüência, mesma fase e mesma polarização.
|
|
|
|
 
|
|
Na figura (a) os quatro remadores remam com freqüências diferentes
e seus movimentos não estão sincronizados(luz com componentes
de freqüência distintas e incoerentes, como em uma lâmpada de
filamento).
Na figura (b) os quatro remadores remam com a mesma freqüência,
porém começaram a remar em instantes diferentes de modo que
seus movimentos também não estão sincronizados (luz monocromática
e incoerente, por exemplo, lâmpada com um filtro).
Na figura (c) os quatro remadores remam com a mesma freqüência
e seus movimentos estão sincronizados (luz monocromática e coerente
do laser) |
|
Voltar
ao Início
|
|
O
que é LASER?
O laser é um tipo especial de radiação eletromagnética visível,
cujas aplicações tecnológicas e científicas vêm crescendo dia-a-dia.
O termo laser é constituído pelas iniciais das seguintes palavras
inglesas:
"Light Amplification
by Stimulated
Emission of Radiation",
que significa
"ampliação da luz por emissão estimulada
de radiação"
|
|



|
|
A
idéia básica do funcionamento do laser é utilizar a emissão
estimulada para desencadear uma avalanche de fótons coerentes,
isto é, todos com a mesma freqüência, fase, polarização e, principalmente,
mesma direção de propagação. Como conseguir isso? Vamos descrever
um laser hipotético que tem apenas um átomo com dois níveis.
É claro que essa é uma bruta simplificação pois um laser real
tem 1023 átomos ou mais. Mas, para nosso entendimento, basta
um só átomo.
Esse átomo é colocado em um meio transparente entre dois espelhos.
O espelho da esquerda reflete toda a luz que recebe e o espelho
da direita reflete 99% da luz que incide sobre ele (espelho
semi-prateado). Inicialmente, o átomo está em seu estado fundamental,
mas um fóton vindo de fora com a energia certa irá excitá-lo
(A). O átomo demora-se nesse estado excitado que é meta-estável
(B). Essa característica é essencial para que o laser funcione.
Eventualmente, ele decai emitindo um fóton. Esse fóton, emitido
espontaneamente, pode ter qualquer direção e, na maioria das
vezes, se perde pelas paredes laterais. Mas, em algum momento,
um desses fótons sai na direção de um dos espelhos. Digamos
que, enquanto o fóton se reflete no espelho da direita, outro
fóton externo excita o átomo (C).
O fóton refletido vai encontrar o átomo no estado excitado e
estimula uma nova desexcitação (D). Só que dessa vez a emissão
é estimulada e o fóton resultante sai em fase e na mesma direção
que o fóton estimulante - isto é, são coerentes. Enquanto isso,
outro fóton externo excita novamente o átomo (E) .
Agora, os dois fótons refletidos pelo espelho da esquerda vão
estimular uma nova emissão (F). Teremos, então, três fótons
coerentes dirigindo-se, em fase, para o espelho da direita (G)
.
Com a repetição continuada desses processos o número de fótons
coerentes refletindo-se entre os dois espelhos cresce tanto
que uma parte deles escapa pelo espelho semi-prateado (1% deles,
mais ou menos). Essa luz que escapa é o feixe de nosso laser
de um átomo. A luz desse feixe é coerente, o que faz com que
o feixe seja estreito, concentrado, monocromático e bastante
intenso.
NOTA: Na verdade, um laser só de dois níveis não funcionaria.
Mas, para nossos propósitos puramente ilustrativos, essa simplificação
serve. |
|
CLICAR
AQUI PARA VER SIMULAÇÃO
|
|
Voltar
ao Início
|
|
Um
pouco da história do LASER
Antes do laser veio o maser. O maser foi inventado por Charles
Townes (nascido em 28 de Julho de 1915) na década de 50 e construído
em 1954 por ele e colegas da Universidade de Colúmbia (EUA).
O princípio da funcionamento do maser é semelhante ao descrito
na seção anterior, com uma diferença. Em vez de átomos excitados
Townes usou moléculas de amônia como meio ativo. Ao ser excitada
por um agente externo a molécula de amônia entra em vibração
com uma freqüência de microondas. Daí, o processo de emissão
estimulada gera um feixe coerente de microondas.
Logo que o maser foi demonstrado começou imediatamente a busca
por um maser ótico, isto é, um dispositivo que emitisse um feixe
coerente com freqüência na região da luz visível. Townes e Arthur
Schawlow propuseram um arranjo com uma cavidade contendo o meio
ativo e dois espelhos, como descrito na seção anterior. Por
esse trabalho Townes ganhou o Prêmio Nobel de 1964, juntamente
com Aleksandr Prokhorov (também nascido em Julho) e N. Basov.
Mas, foi Theodore Maiman (nascido em 11 de Julho de 1927) quem
construiu o primeiro maser ótico. Maiman sugeriu o nome "Loser"
("Light Oscillation by Stimulated Emission of Radiation") mas
"loser" significa "perdedor" e o nome foi trocado por "laser"
("Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation"),
que pegou e ficou.
Em Julho de 1960 Maiman anunciou o funcionamento do primeiro
laser cujo meio ativo era um cristal de rubi. O rubi é um cristal
de óxido de alumínio contendo um pouco de cromo. Os átomos de
cromo formam o meio ativo: são eles que geram a luz laser por
emissão estimulada de fótons. Eles são excitados por uma luz
externa muito intensa (flash). O átomo de cromo é um sistema
de três níveis: a luz externa excita o átomo de cromo do estado
fundamental para um estado excitado de vida curta. Desse estado
excitado o átomo decai para outro estado excitado de menor energia.
A diferença de energia é dissipada na forma de vibrações no
cristal de rubi. Esse segundo estado excitado é meta-estável,
portanto, conveniente para ser usado na ação laser. De resto,
o funcionamento é idêntico ao que descrevemos antes.
No laser de rubi de Maiman o feixe de luz sai na forma de pulsos
de luz muito rápidos. Pouco tempo depois outros lasers foram
construídos, usando outros meios ativos, produzindo um feixe
contínuo de luz. |
|
Voltar
ao Início
|
|
Aplicações
do LASER
|
|
|
Em todas as aplicações usa-se uma das principais propriedades
do Laser, a de ser uma fonte de luz intensa, que emite radiação
numa direção muito bem definida. Essa é uma propriedade muito
diferente da luz comum, como podemos observar se apontarmos
uma lanterna para uma parede. Aí podemos ver que, quanto mais
longe estiver da parede, maior será a área iluminada: o cone
de luz que sai da lanterna se expande cada vez mais. Com uma
lanterna de bolso, a poucos metros a área iluminada poderá ser
do tamanho do seu corpo. Naturalmente, à medida que a área iluminada
aumenta, a luminosidade em cada ponto diminui, até que mal conseguimos
enxergar a parede. Isso ocorre porque a luz da lanterna se estende
por uma região muito maior, havendo cada vez menos potência
em cada região. Vejamos agora o que ocorre com um laser.
Na saída do laser o feixe de luz tem um diâmetro de poucos milímetros.
Se apontarmos o feixe para uma parede próxima, veremos que ali
surge um ponto luminoso com o mesmo tamanho. A dez metros de
distância a área iluminada será praticamente a mesma, e é apenas
em distâncias muito grandes que perceberemos uma pequena mudança.
Essa propriedade, chamada de colimação do feixe, é tão acentuada
que com um laser de boa qualidade podemos apontar o feixe para
a Lua(situada a quase 400 mil quilômetros) e ainda assim obtemos
uma área iluminada restrita. Para compreendermos este efeito,
vamos ver inicialmente o que ocorre com uma lâmpada comum. Quando
o filamento da lâmpada se aquece, a luz é emitida em todas as
direções.
A cada distância em relação à lâmpada, podemos imaginar uma
grande esfera que está sendo atravessada pela luz. A potência
luminosa total que atravessa essa esfera imaginária é sempre
a mesma (toda a luz que sai da lâmpada atravessa a esfera),
mas a área atravessada aumenta cada vez mais conforme nos afastamos
da lâmpada. Vemos assim que a potência por unidade de área,
que chamamos de intensidade, diminui com a distância. Essa diminuição
é bastante rápida, pois a área de uma esfera aumenta com o quadrado
do raio. Assim, a um metro de distância a intensidade será dez
mil vezes menor do que a um centímetro! Já no caso do laser
a situação é completamente diferente. Toda a potência é emitida
numa mesma direção, a luz não se espalha e a intensidade permanece
praticamente constante mesmo a uma longa distância. A alta intensidade
dos lasers é que lhes dá a característica mais conhecida. Um
laser pode perfurar superfícies metálicas ou queimar objetos.
Essa capacidade o torna um excelente auxiliar na industria,
permitindo realizar, por exemplo, soldas a alta temperatura.
Outra importante propriedade dos lasers é a emissão de energia
numa faixa muito estreita de freqüência. Isso significa que
a energia não é distribuída em vários comprimentos de onda,
como em outras fontes de luz que vimos até aqui, mas se reduz
a praticamente um único valor. Vamos comparar, por exemplo,
a lâmpada de sódio com um laser. Essa lâmpada emite radiação
em vários comprimentos de onda desde 5.500 angstrons até 6500
angstrons, Já um laser equivalente emite radiação apenas em
5.891 angstrons. Note que 1 angstron vale 10-10 m. Tal propriedade,
denominada monocromaticidade, é muito importante, pois significa
que concentramos toda a energia na freqüência de interesse,
e não a "desperdiçamos" sob outras formas, como, por exemplo,
calor.
|
|
|
|
Voltar
ao Início
|
|
Introdução | Laser
| CD | Difração
| Interferência | O
Espectroscópio |
|