Professor José Luiz
Introdução
Laser
CD
Difração
Interferência
O Espectroscópio
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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.

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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.
   
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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)
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  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.
 
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  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.
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  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.
   
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