Lasers

LASER é o acrónimo de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Amplificação de Luz por Emissão Estimulada de Radiação).

Figura 1 - Lasers.
Figura 1 - Lasers.

O primeiro laser foi anunciado ao público, por Theodore H. Maiman, em 1960, nos Estados Unidos da América.

Em Portugal o primeiro laser apenas chega em 1969 e o laser mais intenso instalado em Portugal é o existente (outubro de 2013) no Laboratório de Lasers Intensos no Instituto Superior Técnico, Lisboa, com a potência de 15 TW.

Propriedades da luz Laser

A luz emitida por um laser é quase monocromática e bastante direcional. É também uma fonte de luz coerente e polarizada.

É possível produzir lasers de diferentes frequências.

Funcionamento de um laser

Um processo de absorção de radiação por um átomo (Figura 2) acontece quando este recebe uma radiação com energia correspondente a uma transição de um dos seus eletrões para um nível energético superior, originando um estado excitado desse átomo.

Figura 2 - Absorção espontânea de luz.
Figura 2 - Absorção espontânea de luz.

Se não for provocada mais nenhuma interferência ao átomo, o natural é este voltar rapidamente ao seu estado fundamental, libertando energia (Figura 3) quando o eletrão, no nível de energia excitado, regressar ao seu nível anterior.

Figura 3 - Emissão de energia.
Figura 3 - Emissão de energia.

A emissão estimulada (Figura 4), processo essencial à criação da luz laser, acontece quando um fotão interage com um átomo no seu estado excitado, provocando a emissão de dois fotões que têm a mesma fase, a mesma polarização e direção do fotão que provocou esta estimulação.

Figura 4 - Emissão estimulada.
Figura 4 - Emissão estimulada.

Para que a emissão estimulada aconteça é necessário que num determinado instante hajam, no meio que irá produzir este fenómeno, mais átomos excitados do que átomos no estado fundamental (inversão de população):

$$N_{\text{átomos de alta energia}}>N_{\text{átomos de baixa energia}}$$

Nesta caso um fotão desencadeia a libertação de fotões coerentes de uma maneira quase descontrolada.

A excitação dos átomos do meio ativo (meio físico que onde acontece a emissão estimulada) tem que ser mantida para que a inversão de população se mantenha.

A Figura 5 demonstra o funcionamento de um laser em que o meio ativo é um cristal de rubi.

Figura 5 - Funcionamento de um laser de rubi.
Figura 5 - Funcionamento de um laser de rubi.

Em torno do cristal de rubi existe uma lâmpada flash que é a responsável pelo bombeamento (excitação contínua dos átomos do cristal) que permite manter a inversão de população. A aparecimento de fotões em número crescente dentro do meio ativo cria a luz que irá ser mantida dentro da cavidade onde se encontra o meio ativo porque num dos lado do cristal há um espelho. Na outra extremidade o espelho é apenas parcial, deixando escapar uma pequena parte dos fotões que estão 'encurralados' no cristal, originando o feixe laser.

Aplicações

Depois de mais de 50 anos de produção, melhoria e investigação nesta área, as aplicações dos lasers são muito vastas. Campos muito diversos como a medicina (cirurgia, oftalmologia, dermatologia, odontologia, oncologia...) ou a diversão (leitura de CDs e DVDs, espectáculos visuais...) são usos já vulgares para este tipo de luz.

A indústria contém também aplicações diversas: corte, soldadura, impressão, leitura de códigos de barras, holografia, comunicações...

Existem também aplicações em áreas militares.

Na ciência a investigação na área dos laser vai desde a sua aplicabilidade ao desenvolvimento de novos tipos de laser. Usam-se lasers como instrumentos de uso da própria ciência mas também em novas áreas de desenvolvimento, podendo já ser usados lasers como substitutos de aceleradores de partículas convencionais para a produção de efeitos alvo de estudo.

Tipos de Laser

Existem vários tipos de laser. Relativamente ao meio ativo em que acontece a produção do feixe laser, estes podem ser sólidos, líquidos ou gasosos.

Duração do laser

Relativamente à emissão temporal do laser, este pode ser contínuo ou pulsado. No laser contínuo a emissão é iniciada com o arranque do processo de emissão até que este seja intencionalmente interrompido, havendo um feixe constante durante este intervalo de tempo (num vulgar ponteiro laser há emissão de luz sempre que se carrega no interruptor e até que este deixe de ser pressionado). Um laser pulsado emite luz apenas durante um intervalo de tempo pré definido (normalmente um intervalo de tempo muito pequeno).

Forma do feixe

A forma do feixe laser é variável, ao longo da sua propagação, havendo divergência do mesmo (o diâmetro do feixe vai aumentando em função da distância da fonte emissora).

Foco de um laser

Uma das utilizações que a maioria das pessoas dão aos laser é a leitura de informação guardada em CDs, DVDs, ou discos Blu-Ray. As diferenças ente estes três tipos de leitura tem que ver com a capacidade de focar o feixe laser numa determinada área do disco.

O tamanho do foco depende da frequência da luz do laser. Quanto maior for a frequência da luz laser (menor comprimento de onda) menor é o foco desse feixe de luz.

Nos CDs é utilizado um laser com comprimento de onda igual a 780 nm. Para que se possa ler informação (detetar um sulcro - ou a ausência deste - numa determinada área do disco) as linhas onde a informação é guardada não podem estar demasiado perto, o que sobrepunha informação impedindo a sua leitura de modo conveniente. Isto limita o número de linhas que se podem escrever em cada disco e, por isso, a quantidade de informação que se pode guardar.

Para se guardar mais informação, na mesma área de disco, é necessário ter mais linhas de escrita, mas para isso tem que se escrever e ler a informação com um laser que possua um foco mais pequeno (e daí se poderem aproximar mais as linhas que contém a informação, escrevendo mais dados).

Nos DVDs são utilizados lasers com um comprimento de onda de 650 nm, menor do que os lasers dos CDs.

Nos Blu-Ray são utilizados comprimentos de onda de 405 nm, menor do que a dos DVDs e dos CDs.

Quanto menor for o comprimento de onda do lser utilizado maior a quantidade de daods que se podem guardar na mesma área de disco (CD: 0,7 GB; DVD: 4,7 GB; Blu-Ray: 25 GB).

Potência

A potência de um laser é bastante variável, dependendo, essencialmente, do uso pretendido. Os vulgares ponteiros laser têm potencias entre 1 a 5 mW.

As condições de utilização dos lasers dependem muito da sua potência, pelo que potências acima dos valores anteriormente mencionados necessitam de cuidados especiais na utilização dos feixes.

Os laser mais potentes possuem uma potência na ordem dos PW (1015 watt) a funcionar de forma pulsada, com impulsos de ps (10-12 s).

CLF - Central Laser Facility 

Instituto de Plasmas e Fusão Nuclear [IST]

LaserLab 

How lasers work (in theory) 

How lasers work (in practice) 

Bibliografia:
E. Hecht, Óptica, Fundação Calouste Gulbenkian, Lisboa, 2012.
G. Figueira, J. M. Dias, C. Russo, L. O. e Silva, C. Silva, documentação facultada na Formação em Lasers, Instituto Superior Técnico, Julho, 2012.

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