Lasers

Como os lasers fazem luz?

Se isso é tanto detalhe quanto você quer saber sobre lasers, você pode parar de ler agora ou pular mais abaixo na página para tipos de lasers. Esta seção passa os mesmos pontos da caixa acima com um pouco mais de detalhe, e um pouco mais de “teoricamente”. Isso é complexo e confuso, mas, se você o separar lentamente, é sactualmente uma explicação muito clara de como os lasers fazem seus poderosos feixes de luz.

Emissão espontânea

Comecemos com o “R” do laser: radiação. O laser de radiação não tem nada a ver com a radioatividade perigosa, o material que faz os contadores Geiger clicarem, que os átomos vomitam quando eles se esmagam ou se desfazem. Os lasers fazem radiação eletromagnética, como a luz comum, ondas de rádio, raios X e infravermelhos. Embora ainda seja produzido por átomos, eles o fazem (“emitem”) de uma maneira totalmente diferente, quando os elétrons saltam para cima e para baixo dentro deles. Nós pensamos em elétrons em átomos sentados em níveis de energia, que são um pouco como degraus em uma escada. Normalmente, os elétrons se sentam no nível mais baixo possível, que é chamado de estado do solo do átomo. Se você disparar apenas a quantidade certa de energia, você pode deslocar um elétron para cima, para o próximo degrau da “escada”. Isso chama-se absorção e, no seu novo estado, dizemos que o átomo está excitado, mas também é instável. Ele retorna muito rapidamente ao estado do solo ao emitir a energia que absorveu como um fóton (uma partícula de luz). Chamamos a este processo de emissão espontânea de radiação: o átomo está emitindo luz (emitindo radiação) sozinho (espontaneamente).

Foto: De velas a lâmpadas e pirilampos a lanternas, todas as formas convencionais de luz funcionam através do processo de emissão espontânea. Em uma vela, a combustão (a reação química entre oxigênio e combustível, neste caso, a cera) excita os átomos e os torna instáveis. Eles emitem luz quando retornam ao seu estado original (solo). Cada fóton produzido pela emissão espontânea dentro desta chama da vela é diferente de cada outro fóton, razão pela qual existe uma mistura de diferentes comprimentos de onda (e cores), tornando a luz “branca”. Os fótons emergem em direções aleatórias, com ondas que estão desfasadas umas das outras (“fora de fase”), razão pela qual a luz da vela é muito mais fraca que a luz do laser.

Emissão estimulada

Normalmente, um bando típico de átomos teria moreelectrons em seus estados de terra do que seus estados excitados, razão pela qual os átomos não emitem luz espontaneamente. Nesse caso, a “população” de elétrons excitados seria maior do que a “população” em seus estados terrestres, então haveria muitos elétrons prontos e dispostos a fazer fótons de luz. Chamamos a esta situação uma inversão da população, porque o estado normal dos cabelos nos átomos é trocado (invertido). Agora suponha também que nós poderíamos manter nossos átomos neste estado por um pouco de tempo para que eles não saltem automaticamente de volta ao seu estado de base (uma condição temporariamente excitada conhecida como meta-estabelecimento). Então nós encontraríamos algo realmente interessante. Se disparássemos o fotão com a energia certa através do nosso bando de átomos, faríamos com que um dos electrões excitados voltasse ao seu estado de terra, libertando tanto o fotão que disparámos como o fotão produzido pela mudança de estado dos electrões. Como estamos estimulando os átomos para tirar a radiação deles, este processo é chamado de emissão estimulada. Nós retiramos dois fótons após a entrada de um fóton, efetivamente dobrando nossa luz e amplificando-a (aumentando-a). Esses dois fótons podem estimular outros átomos a emitir mais fótons, então, muito em breve, obtemos uma cascata de fótons – reação de aceleração – lançando para fora um feixe brilhante de luz pura e coerente. O que temos feito aqui é amplificar a luz usando a emissão estimulada de radiação – e é assim que um laser recebe seu nome.

Artwork: Como os lasers funcionam em teoria: Esquerda: Absorção: Energia de fogo (verde) em um átomo e você pode deslocar um elétron (azul) de seu estado de solo para um estado excitado, o que geralmente significa empurrá-lo para mais longe do núcleo (cinza). Meio: Emissão espontânea: Um electrão excitado salta naturalmente de volta ao seu estado de terra, dando um quantum (pacote de energia) como um fotão (sacudir verde). Certo: Emissão estimulada: Dispare um fotão perto de um monte de átomos excitados e pode disparar uma cascata de fotões idênticos. Um fóton de luz dispara muitos, então o que temos aqui é amplificação de luz (fazendo mais luz) por emissão estimulada de radiação (electromagnética)-LASER!.

O que torna a luz laser tão diferente?

Se é assim que os lasers fazem luz, porque é que os dothey fazem uma única cor e um feixe coerente? Resume-se a theidea que a energia só pode existir em pacotes fixos, cada um dos quais é chamado de quantum. É um pouco como o dinheiro. Você só pode ter limonada em múltiplos da unidade mais básica da sua moeda, que pode ser um centavo, um centavo, uma rupia, ou o que quer que seja. Você não pode ter um décimo de centavo ou um vigésimo de rupia, mas pode ter 10 centavos ou 20 rúpias. O mesmo se aplica à energia, e é particularmente perceptível dentro dos átomos.

Como os degraus de uma escada, os níveis de energia nos átomos estão em lugares fixos, com espaços entre eles. Você não pode colocar seu pé em qualquer lugar em uma escada, apenas nos degraus; e inexatamente da mesma forma, você só pode mover elétrons em átomos entre os níveis fixos de energia. Para fazer um electrão saltar de um nível inferior para um nível superior, tens de te alimentar com uma quantidade precisa (quântica) de energia, igual à diferença entre os dois níveis de energia. Quando os elétrons voltam do estado excitado para o estado de terra, eles dão a mesma quantidade precisa de energia, que toma a forma de um fóton de luz de uma determinada cor. A emissão estimulada nos lasers faz com que os elétrons produzam uma cascata de fotões idênticos – idênticos em energia, frequência, comprimento de onda – e essa luz laser é monocromática. Os fótons produzidos são equivalentes a ondas de luz cujas cristas e canais se alinham (em outras palavras, eles estão “em fase”) – e é isso que torna a luz laser coerente.

Tipos de lasers

Foto: Laser – como a maioria de nós os conhecemos: Este é o laser e a lente que digitaliza discos dentro de um leitor de CD ou DVD. O círculo pequeno na parte inferior direita é um diodo laser semicondutor, enquanto o círculo azul maior é a lente que lê a luz do laser depois de ter saltado da superfície brilhante do disco.

>Desde que podemos excitar muitos tipos diferentes de átomos de muitas maneiras diferentes, podemos (teoricamente) fazer muitos tipos diferentes de lasers.Na prática, existem apenas alguns tipos comuns, dos quais os cinco mais conhecidos são estado sólido, gás, corante líquido, semicondutor e fibra.

Sólidos, líquidos e gases são os três principais estados da matéria – e nos dão três tipos diferentes de lasers. Os lasers de estado sólido são como os que eu ilustrei acima. O meio é algo como aruby rod ou outro material sólido cristalino, e um flashtubo envolvido bombeia seus átomos cheios de energia. Para funcionar eficazmente, o sólido tem de ser dopado, um processo que substitui alguns dos átomos do sólido por iões de impurezas, dando-lhe apenas os níveis de alergia correctos para produzir luz laser de uma certa e precisa frequência. Os lasers de estado sólido produzem feixes de alta potência, tipicamente em pulsos muito curtos. Os lasers a gás, pelo contrário, produzem feixes luminosos contínuos utilizando como meio compostos de gases nobres (no que são chamados de lasers excimer) ou dióxido de carbono (CO2), bombeados por eletricidade. Os lasers de CO2 são potentes, eficientes e tipicamente utilizados no corte e soldagem industrial. Os lasers de corantes líquidos usam como meio a asolução de moléculas de corantes orgânicos, bombeados por algo como uma lâmpada de arco voltaico, uma lâmpada de flash, ou outro laser. Sua grande vantagem é que eles podem ser usados para produzir uma banda mais ampla de freqüências de luz do que lasers de estado sólido e a gás, e eles podem até mesmo ser “afinados” para produzir freqüências diferentes.

Embora os lasers sólidos, líquidos e a gás tendam a sobrecarregar, poderosos e caros, os lasers semicondutores são dispositivos de chapa, minúsculos, semelhantes a chips, usados em coisas como CD players, impressoras a laser e scanners de código de barras. Eles funcionam como um cruzamento entre um diodo emissor de luz (LED) convencional e um laser tradicional. Como um LED, eles fazem luz quando elétrons e “buracos” (efetivamente, “missingelectrons”) saltam e se juntam; como um laser, eles geram luz coerente e monocromática. É por isso que às vezes são referidos como diodos laser (ou lasers de diodo). Você pode ler mais sobre eles em nosso artigo separado sobre diodos semicondutores.

Finalmente, os lasers de fibra trabalham suas fibras ópticas magicinside; na verdade, um cabo dopado de fibra óptica se torna o meio amplificador. Eles são poderosos, eficientes, confiáveis e facilitam a canalização da luz laser para onde ela for necessária.

Para que são usados os lasers?

Quando Theodore Maiman desenvolveu o primeiro praticamente, poucas pessoas se deram conta da importância que estas máquinas viriam a ter. Goldfinger, o filme de James Bond de 1964, ofereceu um vislumbre tentador de um futuro onde o laser industrial poderia cortar como magia através de qualquer coisa em seu caminho – até mesmo agentes secretos! Mais tarde no mesmo ano, reportando sobre o Prêmio Nobel de Física ao pioneiro do laser Charles Townes, The New YorkTimes sugeriu que “um raio laser poderia, por exemplo, carregar todos os programas de rádio e televisão do mundo mais várias centenas de milhares de chamadas telefônicas simultaneamente”. Ele é usado extensivamente para encontrar o alcance e rastrear mísseis”. Mais de meio acento mais tarde, aplicações como estas – ferramentas de precisão, comunicação digital e defesa – estão entre os usos mais importantes dos lasers.

Photo: Cada vez que imprime um documento, a impressora laser na sua mesa está a estimular zilhões de átomos! O laser dentro dela é usado para desenhar uma imagem muito precisa da página que você quer imprimir em um grande tambor, que pega tinta (toner) e a transfere para o papel.

Ferramentas

Ferramentas de corte baseadas em lasers CO2 são amplamente utilizadas na indústria: são precisas, fáceis de automatizar e, ao contrário das facas, nunca precisam ser afiadas. Onde antes os pedaços de tecido eram cortados à mão, como calças de ganga, agora os tecidos são cortados por lasers guiados por robôs. Eles são mais rápidos e precisos que os humanos e podem cortar várias espessuras de tecido ao mesmo tempo, o que melhora a eficiência e a produtividade. A mesma precisão é igualmente importante na medicina: os médicos usam rotineiramente lasers no corpo de seus pacientes.para tudo, desde a explosão de tumores cancerígenos e cauterização dos vasos sanguíneos até a correção de problemas com a visão das pessoas (cirurgia dos olhos a laser, fixação de retinas soltas e tratamentos de cataratas, todos envolvem lasers).

Comunicações

Asasers formam a base de todos os tipos de tecnologia digital do século 21. Cada vez que você passa suas compras por um leitor de código de barras de uma mercearia, você está usando um laser para converter um código de barras impresso em um número que o computador da caixa pode entender. Quando você vê um DVD ou ouve um CD, um feixe de semicondutores salta do disco giratório para converter seu padrão impresso de dados em números; um chip de computador converte esses números em filmes, música e som. Junto com cabos de fibra ótica, os lasers são amplamente utilizados em uma tecnologia chamada fotônica – usando fotões de luz para se comunicar, por exemplo, para enviar grandes fluxos de dados para frente e para trás pela Internet.Facebook está atualmente experimentando o uso de lasers (em vez de ondas de rádio) para fazer melhores conexões com satélites espaciais, o que poderia levar a taxas de dados mais altas e acesso à Internet muito melhorada nos países em desenvolvimento.

Photo: As armas laser são o futuro? Este é o Sistema de Armas Laser da Marinha dos EUA (LaWS), que foi testado a bordo do USS Ponce em 2014. Não há balas ou mísseis caros com uma arma laser como esta, apenas um suprimento infinito de energia ferozmente direcionada. Foto de John F. Williams cortesia da Marinha dos EUA.

Defesa

Os militares têm sido um dos maiores utilizadores desta tecnologia, principalmente em armas e mísseis guiados por laser. Apesar da sua popularização em filmes e na TV, a ideia de ficção científica de armas que podem cortar, matar ou cegar um inimigo permaneceu fantasiosa até meados dos anos 80. Em 1981, o The New York Times chegou ao ponto de citar um “especialista em laser militar”, dizendo: “É uma tolice. “É preciso mais energia para matar um único homem com um laser do que para destruir um amissile.” Dois anos depois, as armas laser de longo alcance tornaram-se oficialmente a base da Iniciativa de Defesa Estratégica (SDI) do presidente dos EUA, Ronald Reagan, mais conhecida como o “programa Guerra das Estrelas”. A idéia original era usar lasers de raios X baseados no espaço (entre outras tecnologias) para destruir os enemissiles que chegavam antes que tivessem tempo de causar danos, embora o plano tenha sido gradualmente extinto após o colapso da União Soviética e o fim da Guerra Fria.

Even assim, os cientistas de defesa continuaram a transformar os mísseis baseados em lasers da ficção científica em realidade. A Marinha americana começou a testar o LaWS (Laser Weapon System) a bordo do navio USS Ponce, no Golfo Pérsico, em 2014. Usando lasers de estado sólido bombeados por LEDs, ele foi projetado para danificar ou destruir equipamentos inimigos de forma mais ou menos intensa e precisa do que os mísseis convencionais. Os testes foram bem sucedidos e a Marinha anunciou contratos para construir mais sistemas LaWS em 2018. Enquanto isso, o desenvolvimento de lasers espaciais continua, embora nenhum tenha sido implantado até agora.

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Photo: Os cientistas do Lawrence Livermore National Laboratory na Califórnia desenvolveram o laser mais potente do mundo, o National Ignition Facility (NIF), para a pesquisa nuclear. Alojado em um prédio de 10 andares ocupando uma área tão grande quanto três campos de futebol, ele usa 192 feixes de laser separados para fornecer até 500 trilhões de watts de energia (100 vezes mais energia que qualquer outro laser), gerando temperaturas de até 100 milhões de graus. O NIF custou um total de 3,5 bilhões de dólares e espera-se que alimente pesquisas nucleares de vanguarda nos próximos 30 anos. Esquerda: Um dos dois compartimentos de laser duplo no National Ignition Facility. Direita: Como funciona: Os feixes do laser estão concentrados numa pequena película de combustível numa câmara para produzir temperaturas intensas (como as das estrelas profundas). A idéia é produzir fusão nuclear (fazer os átomos se unirem) e liberar uma enorme quantidade de energia. Crédito fotográfico: Lawrence Livermore National Laboratory.