O BLOG DE FÍSICA 4

sexta-feira, 9 de outubro de 2009

Como funciona o laser

Introdução










Neste artigo você aprenderá tudo sobre lasers para conhecer melhor essa tecnologia fascinante!


Foto cedida pela NASA
A estação de testes de Limiar de Danos Óticos, do Centro de Pesquisas da NASA, em Langley, tem três lasers: um laser pulsado de alta energia de Nd: Yag, um laser de Ti: safira e um laser de HeNe para alinhamento.


O básico sobre um átomo

Existem cerca de cem tipos diferentes de átomos em todo o universo. Tudo o que vemos é formado por esses cem átomos, em um número ilimitado de combinações. A maneira como esses átomos se distribuem e se conectam determina se eles formarão um copo de água, um pedaço de metal ou a efervescência que aparece em seu refrigerante quando você abre a lata!

Os átomos estão constantemente em movimento. Eles vibram, movimentam-se e giram continuamente. Mesmo os átomos que formam as cadeiras em que estamos sentados estão se movimentando. Os sólidos, na verdade, estão em movimento. Os átomos podem estar em diferentes estados de excitação, ou em outras palavras, eles têm energias diferentes. Se aplicarmos muita energia a um átomo, ele pode sair do chamado estado fundamental de energia e ir para um estado excitado. O nível de excitação depende da quantidade de energia que é aplicada sobre o átomo por meio de calor, luz ou eletricidade.

Aqui está uma interpretação clássica da aparência do átomo:


Um átomo, na representação mais simples,
consiste de um núcleo e de elétrons que ficam em suas órbitas

Este simples átomo consiste de um núcleo (contendo prótons e nêutrons) e uma nuvem de elétrons. Fica mais fácil se imaginarmos os elétrons nessa nuvem circulando em volta do núcleo em várias órbitas diferentes.


Absorvendo energia

Considere a ilustração da seção anterior. Apesar das representações mais recentes do átomo não descreverem os eletróns como incluídos em órbitas discretas, os chamados orbitais, pode ser útil pensar nesses orbitais como indicadores dos diferentes níveis de energia do átomo. Em outras palavras, se aplicarmos uma quantidade de calor sobre um átomo, podemos esperar que alguns dos elétrons nos orbitais de menor energia transportem-se para orbitais de maior energia, mais distantes do núcleo.


Absorção de energia:
um átomo absorve energia na forma de calor, luz ou eletricidade. Os elétrons podem se mover de uma órbita de menor energia para uma órbita de maior energia.

Essa é uma maneira extremamente simplificada de ver as coisas, mas reflete a idéia principal de como os átomos funcionam no que diz respeito ao laser.

Assim que um elétron se move para uma órbita de maior energia, ele eventualmente vai querer voltar ao estado fundamental. Quando isso acontecer, ele vai liberar essa energia na forma de um fóton (partícula de luz). É possível ver átomos liberando energia em forma de fótons o tempo todo. Por exemplo, quando o aquecedor de uma torradeira fica com um brilho vermelho, essa cor vermelha é causada por átomos que, excitados pelo calor, liberam fótons vermelhos. Quando você vê uma imagem em uma tela de TV, o que você está vendo são átomos de fósforo, excitados por elétrons de alta velocidade emitindo diferentes cores de luz. Qualquer coisa que produza luz - luzes fluorescentes, lampiões a gás, lâmpadas incandescentes - atinge esse objetivo graças a elétrons mudando de órbita e liberando fótons.


A conexão laser/átomo

Um laser é um dispositivo que controla a maneira pela qual átomos energizados liberam fótons. A palavra "laser" é a sigla em inglês de amplificação de luz por emissão estimulada de radiação (light amplification by stimulated emission of radiation), o que descreve bem resumidamente como um laser funciona.

Apesar de existirem muitos tipos de lasers, todos apresentam certas características básicas. Em um laser, o material gerador é "bombardeado" para que os átomos entrem em um estado excitado. De maneira geral, flashes de luz muito intensos ou descargas elétricas "bombardeiam" o material gerador e criam um grande conjunto de átomos em estado excitado (átomos com elétrons de energia mais alta). É necessário ter um grande número de átomos no estado excitado para que o laser funcione de maneira eficiente. Em geral, os átomos são excitados até um determinado nível que está dois ou três níveis acima do estado fundamental. E isso aumenta o grau de inversão de população. A inversão de população é o número de átomos no estado excitado versus o número de átomos no estado fundamental.

Assim que o material gerador é bombardeado, ele passa a conter um grupo de átomos com alguns elétrons localizados em níveis excitados. Os elétrons excitados têm mais energia que os elétrons mais "relaxados". Assim como o elétron absorveu uma quantidade de energia para atingir este estado excitado, ele também pode liberar essa energia. Como a figura abaixo ilustra, o elétron pode simplesmente 'relaxar" e livrar-se de uma parte desta energia. Essa energia emitida surge na forma de fótons (energia luminosa). O fóton emitido tem um comprimento de onda (cor) muito específico, que depende do estado da energia do elétron quando o fóton é liberado. Dois átomos idênticos com elétrons em estados idênticos vão liberar fótons com idênticos comprimentos de onda.



Luz do laser

A luz do laser é muito diferente da luz normal. A luz laser tem as seguintes propriedades:
  • A luz liberada é monocromática. Ela contém um comprimento de onda específico de luz (uma cor específica). O comprimento de onda de luz é determinado pela quantidade de energia liberada quando o elétron vai para uma órbita menor.
  • A luz liberada é coerente. Ela é "organizada" - cada fóton se move juntamente com os outros. Isso significa que todos os fótons têm frentes de onda que são iniciadas em uníssono.
  • A luz é bem direcionada. Uma luz laser tem um feixe muito estreito e é muito forte e concentrada. A luz de uma lanterna, por outro lado, libera luz em várias direções, além da luz ser muito fraca e difusa.

Para que essas três propriedades ocorram, é necessário algo chamado emissão estimulada. Essa emissão não ocorre numa lanterna comum - em uma lanterna, todos os átomos liberam seus fótons de forma aleatória. Na emissão estimulada, a emissão de fótons é organizada.

O fóton liberado por qualquer átomo tem um determinado comprimento de onda que depende da diferença de energia entre o estado excitado e o estado fundamental. Se esse fóton (que possui uma determinada energia e fase) encontrar outro átomo com um elétron em estado excitado idêntico, a emissão estimulada pode ocorrer. O primeiro fóton pode estimular ou induzir emissão atômica de tal maneira que o fóton emitido como conseqüência (a partir do segundo átomo) vibrará na mesma freqüência e direção que o fóton recebido.

Outro ponto fundamental do laser é um par de espelhos, um em cada ponta do meio gerador. Os fótons, com um comprimento de onda e fase muito específicos, refletem-se nos espelhos para viajar de um lado a outro do material gerador de laser. No processo, eles estimulam outros elétrons a fazer com que a energia decrescente aumente e podem causar a emissão de mais fótons de igual comprimento de onda e fase. Um efeito dominó acontece e logo se terão propagado muitos e muitos fótons de mesmo comprimento de onda e fase. O espelho em uma das pontas do laser é semiprateado, o que significa que ele reflete uma parte da luz e permite a passagem de outra parte. Essa parte da luz que consegue passar é a luz laser.


Lasers de rubi

Um laser de rubi consiste de um tubo de flash (o que você encontra em uma máquina fotográfica), um bastão de rubi e dois espelhos (um deles semiprateado). O bastão de rubi é o material gerador do laser, e o tubo de flash é o que o "bombardeia".

1. O laser no estado em que não gera emissões

2. O tubo de flash dispara e injeta luz no cilindro de rubi. A luz excita os átomos do rubi.

3. Alguns desses átomos emitem fótons

4. Alguns desses fótons correm em uma direção paralela ao eixo do rubi, constantemente rebatendo nos espelhos. Enquanto eles passam pelo cristal, estimulam a emissão em outros átomos.


5. Luz monocromática, monofásica e alinhada sai do rubi através do semi-espelho: luz do laser!

Laser de três níveis

Veja o que ocorre em um laser de verdade, de três níveis:




Tipos de laser

Existem vários tipos de laser. O material gerador do laser pode ser sólido, gasoso, líquido ou semicondutor. Normalmente o laser é designado pelo tipo de material empregado na sua geração:
  • Lasers de estado sólido possuem material de geração distribuído em uma matriz sólida (como o laser de rubi ou o laser Yag de neodímio:ítrio-alumínio-granada). O laser neodímio-Yag emite luz infravermelha a 1.064 nanômetros (nm). Um nanômetro corresponde a 1x10-9 metro.
  • Lasers a gás (hélio e hélio-neônio, HeNe, são os lasers a gás mais comuns) têm como principal resultado uma luz vermelha visível. Lasers de CO2 emitem energia no infravermelho com comprimento de onda longo e são utilizados para cortar materiais resistentes.
  • Lasers Excimer (o nome deriva dos termos excitado e dímeros) usam gases reagentes, tais como o cloro e o flúor, misturados com gases nobres como o argônio, criptônio ou xenônio. Quando estimulados eletricamente, uma pseudomolécula (dímero) é produzida. Quando usado como material gerador, o dímero produz luz na faixa ultravioleta.
  • Lasers de corantes utilizam corantes orgânicos complexos, tais como a rodamina 6G, em solução líquida ou suspensão, como material de geração do laser. Podem ser ajustados em uma ampla faixa de comprimentos de onda.
  • Lasers semicondutores, também chamados de lasers de diodo, não são lasers no estado sólido. Esses dispositivos eletrônicos costumam ser muito pequenos e utilizam baixa energia. Podem ser construídos em estruturas maiores, tais como o dispositivo de impressão de algumas impressoras a laser ou aparelhos de CD.

Qual é o seu comprimento de onda?

Um laser de rubi (ilustrado anteriormente) é um laser de estado sólido e emite luz com um comprimento de onda de 694 nm. Outros meios geradores podem ser selecionados levando-se em conta o comprimento de onda de emissão desejado (veja tabela abaixo), a energia necessária e a duração do pulso. Alguns lasers são muito poderosos, tais como o laser de CO2, que pode cortar o aço. O motivo do laser de CO2 ser tão perigoso é que ele emite luz laser na região infravermelha e de microondas do espectro. Radiação infravermelha é calor, e esse laser basicamente consegue derreter qualquer coisa para a qual seja apontado.

Outros lasers, como os lasers de diodo, são muito fracos e são utilizados nos modernos apontadores a laser de bolso. Esses lasers costumam emitir um raio vermelho de luz que tem comprimento de onda entre 630 nm e 680 nm. Os lasers são utilizados na indústria e na área de pesquisa para fazer muitas coisas, o que inclui o uso de luz laser intensa para excitar outras moléculas e poder observar o que acontece com elas.

Eis alguns dos lasers mais comuns e seus comprimentos de onda de emissão:

Tipo de laser
Comprimento de onda (nm)
Fluoreto de argônio (UV)
193
Fluoreto de criptônio (UV)
248
Cloreto de xenônio (UV)
308
Nitrogênio (UV)
337
Argônio (azul)
488
Argônio (verde)
514
Hélio-neônio (verde)
543
Hélio-neônio (vermelho)
633
Corante Rodamina 6G (ajustável)
570-650
Rubi (CrAlO3) (vermelho)
694
Nd:Yag (NIR)
1.064
Dióxido de carbono (FIR)
10.600


Classificações do laser


Sinal de alerta laser
Os lasers são classificados em quatro grandes áreas, conforme seu potencial de provocar danos biológicos. Todo laser deve portar um rótulo com uma das quatro classes descritas abaixo.
  • Classe I - esses lasers não emitem radiação com níveis reconhecidamente perigosos.
  • Classe I.A. - essa é uma designação especial aplicada somente aos lasers que "não devem ser vistos", tais como a leitora de preços a laser de um supermercado. O limite superior de energia da Classe I.A. é de 4 mW.
  • Classe II - esses são lasers visíveis de baixa energia que emitem acima dos níveis da Classe I, mas com uma energia radiante que não ultrapasse 1 mW. A idéia é que a reação de aversão à luz brilhante inata nos seres humanos irá proteger a pessoa.
  • Classe IIIA - esses são lasers de energia intermediária (contínuos: 1-5 mW) e são perigosos somente quando olhamos na direção do raio. A maioria dos apontadores a lasers se encaixa nesta classe.
  • Classe IIIB - são os lasers de energia moderada.
  • Classe IV - composta pelos lasers de alta energia (contínuos: 500 mW, pulsados: 10 J/cm2 ou o limite de reflexão difusa). São perigosos para a visão em qualquer circunstância (diretamente ou espalhados difusamente) e apresentam provável risco de incêndio e risco à pele. Medidas significativas de controle são requeridas em instalações que contêm laser Classe IV.

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