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Pequena introdução ao estudo dos lasers

Por Chris Woodford no site “ExplainThatStuff!“.

Lasers são poderosos e impressionantes feixes de luz que atingem distâncias extraordinárias ou cortam densos pedaços de metal. Uma vez que eram apenas coisa de ficção científica, eles se provaram como sendo uma das maiores invenções versáteis dos tempos modernos. O mesmo laser miniaturizado que lê músicas em um CD também é aquele que guia mísseis, manda e-mails por linhas telefônicas de fibra ótica e escaneia os produtos em um supermercado.

A ideia básica por trás de um laser é bem simples. Ele é um tubo que concentra a luz em apenas um local. Mas, como isso acontece, exatamente? O que há dentro de um laser? Demos uma olhada mais de perto.

 

O quão diferente é um laser de uma luz normal?

 

Lasers são mais do que apenas feixes de luz. A diferença entre uma luz normal e um laser é como a diferença entre as ondulações em uma piscina e as ondas de um mar. Na piscina, ao mover as mãos para frente e para trás, você conseguiria fazer ondas relativamente fortes. Imagine fazer a mesma coisa milhões de vezes no oceano. Mas pense teriam ondas montanhosas levantando-se a partir de você.

É exatamente o que um laser faz com ondas luminosas. Ele começa com uma luz fraca e vai adicionando mais e mais energia, até que ela se torne mais concentrada.

Outra coisa importante é que uma luz branca contém diferentes comprimentos de ondas que podem ser decompostos, mas, em um laser, há a predominância de apenas um comprimento de onda, o que o torna mais forte.

Como átomos geram luz?

Para entender o funcionamento de um laser, precisamos saber, primeiramente, como os átomos geram a luz 

Átomos são pequenas partículas que constituem toda a matéria. Ele funciona de forma parecido com o nosso sistema solar, tendo um centro e vários corpos orbitando.

A maioria de sua massa é concentrada no seu núcleo, constituído basicamente de prótons e nêutrons colados uns nos outros (o que seria o Sol na analogia). Fora dele, há vários elétrons (representados pelos planetas) organizados em camadas, chamadas de orbitais ou níveis de energia. Quanto mais energia um elétron tem, mais distante ele está do núcleo.

A luz é gerada a partir de um processo dividido em 3:

1. Começa com o estado normal do átomo, com todos os elétrons em seus respectivos lugares.

2. Quando eles absorvem energia, um ou mais elétrons acabam pulando de orbital. Dizemos, então, que o átomo está excitado.

3. Entretanto, um átomo excitado é instável e rapidamente tenta se tornar estável novamente. Então, ele libera o excesso de energia que foi ganhado em forma de fóton (representado pela linha verde na imagem ao lado). Esse processo é chamado de emissão espontânea.

Como lasers funcionam?

Um laser (original) é efetivamente uma máquina que faz milhões de átomos gerarem trilhões de fótons de uma vez só, que, por sua vez, são direcionados a apenas um local, concentrando-se.

laser de luz vermelha contem um longo cristal feito de rubi (barra vermelha) com um tubo de feixes (linhas amarelas em zig-zag) ao seu redor. O tubo age como o flash de uma câmera, mas fica piscando continuamente.

  1. Mas como tudo acontece?
  2. Uma bateria de alta voltagem faz o tubo amarelo piscar.
  3. Toda vez que o tubo pisca, ele “lança” energia no cristal de rubi na forma de fótons.
  4. Os átomos do cristal de rubi absorvem essa energia. Então os elétrons começam a pular de um orbital para o outro a partir do processo de emissão espontânea.
    Então, os fótons começam a se movimentar dentro do aparato na velocidade da luz.
  5. De vez em quando, um desses fótons acaba atingindo um átomo em estado excitado. Quando isso acontece, ele dá origem a dois fótons, ao invés de um. Isso é chamado de emissão estimulada.
  6. Um espelho no final do tubo do laser mantém os fótons se balançando dentro do cristal.
  7. Um espelho parcial do outro lado do tubo reflete os fótons para o outro espelho, mas possui uma pequena abertura, que deixa que alguns passem.
  8. Os fótons que escapam, de uma forma extremamente concentrada, dão poder à luz do laser.

Para quê nós usamos os lasers?

Cortar coisas

Devido à produção de uma energia precisamente focada e intensa, um laser é capaz de cortar metais, cerâmicas, plásticos e roupas. Eles se tornaram populares em muitas operações industriais por conta da facilidade de manuseio, principalmente pelo fato de que podem ser controlados por computadores. Ainda, eles são bem mais precisos que os humanos e possuem mais força. Um exemplo típico é o corte simultâneo de vários pedaços de roupas.

Cirurgia de olho

A precisão dos lasers os fazem particularmente viáveis para a “solda” de rotinas danificadas ou para o selamento de vasos sanguíneos quebrados. O procedimento é livre de dores, porque a luz passa perfeitamente pela bola do olho do paciente. A cirurgia de laser também pode ajudar a corrigir problemas visuais, como miopia.

Pesquisas científicas

Desde que os lasers foram desenvolvidos, eles vêm se tornando cada vez menores, mais precisos e mais poderosos.

No Laboratório Nacional de Lawrence Livermore, na Califórnia, cientistas desenvolveram o laser mais poderoso do mundo, o NIF, para pesquisas nucleares. Custando 1,2 bilhões de dólares, é hospedado em uma construção de 10 andares ocupando uma área tão grande quanto três campos de futebol e que pode gerar temperaturas maiores que 100 milhões de graus Celsius.

Além de tudo isso, os lasers também são utilizados para leitura de CDs, casa de shows, limpeza de pele, medição de temperatura, identificar moléculas e microrganismos e muitas (muitas mesmo!) outras coisas.

Quem inventou os lasers?

Os lasers são evoluções dos masers, que são similares, mas produzem microondas e ondas de rádio ao invés de luz visível. Eles foram inventados na década de 50 por Charles Townes e Aarthur Schawlow, vencedores do Prêmio Nobel por conta de seu trabalho.

Mas quem inventou o laser? Em 1957, um dos estudantes de graduação de Townes, Gordon Gould, anotou no seu caderno de laboratório uma ideia de uma versão de um maser em luz visível. Infelizmente, ele não pediu a patente disso e teve de dedicar 20 anos de sua vida em batalhas para consegui-la, ganhando-a eventualmente por parte da invenção.

Mas, na verdade, a primeira pessoa a construir um laser que funcionava perfeitamente foi Theodore Maiman, que nunca ganhou um reconhecimento e ainda teve seu artigo rejeitado por um jornal de publicação científica. Além disso, ele já foi recomendado para o Prêmio Nobel duas vezes, embora nunca o tenha ganhado.

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