O Magnífico Laser

O Magnífico Laser

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É bem provável que, nos meses que separam a finalização deste artigo pelo autor até este exato momento – em que ele é lido por você, leitor –, dezenas ou mesmo centenas de novas aplicações para o laser já tenham sido idealizadas e desenvolvidas. Daí se dizer que esse magnífico instrumento é “uma solução em busca de problemas”. Da própria física à medicina, da indústria ao comércio, da computação ao entretenimento, não há hoje atividade humana em que essa invenção não tenha uma aplicação. Currículo invejável para algo com pouco menos de meio século de vida. Embora suas aplicações sejam importantes, o estudo do laser em si está longe de ser concluído. Entender esse fenômeno é papel de uma das mais ativas áreas da investigação científica deste início de século.

Vanderlei Salvador Bagnato Instituto de Física de São Carlos, Universidade de São Paulo

O magnífico las

Aplicações modernas de uma solução em busca de problemas

30 • CIÊNCIA HOJE • vol. 37 • nº 2 dezembro de 2005 • CIÊNCIA HOJE • 31

Aplicações modernas de uma solução em busca de problemas

erO princípio básico de funcionamento do laserestá baseado nas leis fundamentais

da interação da radiação luminosa com a matéria. Mais especificamente, a luz laser é resultado de um fenômeno denominado emissão estimulada. E daí vem seu nome: laser, em inglês, significa luz amplificada pela emissão estimulada de radiação.

A emissão estimulada consiste no seguinte: vamos imaginar um átomo de determinado material e supor um elétron desse átomo que esteja em um estado excitado, ou seja, com ‘excesso’ de energia.

Esse elétron excitado apresenta uma forte tendência de voltar para o seu estado ‘natural’, isto é, para um nível de energia mais baixa. Ao fazer isso, ele devolve ao meio essa energia na forma de um pacote de luz (fóton). Porém, sozinho esse retorno é extremamente demorado – pelo menos, nas escalas de tempo dos processos atômicos. Mas ele pode ser antecipado com a ajuda de um agente externo: outro fóton. Portanto, a emissão estimulada resulta em dois fótons: um emitido pelo átomo excitado ao voltar ao seu estado de energia mais baixo, e o próprio fóton que ‘acelerou’ (ou estimulou) esse processo. Os dois são idênticos.

Na produção da luz laser, basicamente, um meio ativo – ou seja, uma amostra sólida, líquida ou gasosa –, contendo energia na forma de inúmeros átomos excitados, é colocado no interior de uma cavidade óptica – para nossos propósitos aqui, podemos imaginar essa cavidade como um recipiente com as paredes internas espelhadas.

A luz do laser, portanto, provém justamente da emissão de fótons que ocorre quando, em um processo estimulado pela própria luz, elétrons retornam de seus estados excitados para níveis mais baixos de energia, acumulando na cavidade porções de luz fisicamente idênticas.

Formação do feixe

Imagine um fóton que deu início ao processo de emissão estimulada, gerando dois fótons idênticos. Estes, por sua vez, podem estimular outros dois, que agora se somam a eles, formando quatro fótons idênticos e assim sucessivamente, até termos uma enorme quantidade de luz idêntica emergindo do sistema.

Imagine, agora, o que ocorrerá se os fótons que emergem desse sistema forem novamente jogados sobre ele com a ajuda de espelhos que são colocados em cada extremidade do meio ativo. A amplificação da luz ocorrerá de forma multiplicativa, gerando uma razoável quantidade de luz com as mesmas características de direção de propagação e freqüência, entre outras.

Após vários passos, os fótons que se movimentam na direção determinada pelo eixo principal da cavidade óptica – composta por espelhos ao redor, bem como nas extremidades do meio ativo – formarão um feixe que apresenta uma intensidade considerável.

Uma abertura – ou mesmo um dos espelhos na extremidade da cavidade óptica que deixa passar parte da luz (reflexão parcial) – permite que uma fração dessa luz escape continuamente do sistema. Essa fração é o feixe de luz laser. A figura 1 resume o princípio de funcionamento do laser.

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Quatro características

As diversas possibilidades de meios ativos é que geram os vários tipos de aparelhos laser disponíveis. Normalmente, cada meio ativo acaba possibilitando a ação laser em um certo comprimento de onda específico – lembre-se de que o comprimento de onda é associado com a cor da luz emergente do laser.

As principais características desse feixe emergente são: i) a luz laser é monocromática – ou seja, tem uma só cor (ou comprimento de onda) –, enquanto uma fonte de luz incandescente é formada por vários comprimentos de ondas. Esse caráter mo- nocromático da luz laser vem do fato de a energia carregada pelo fóton estimulante e pelo fóton emitido serem as mesmas; i) a potência do feixe laser pode ser muito grande, ao contrário das fontes de luz convencionais. Pode atingir trilhões de watts – ou, na nomenclatura científica, 1012 watts – nos chamados lasers pulsados, em que a energia acumulada por um longo tempo é emitida toda em um intervalo de tempo muito curto, da ordem de trilionésimos de segundo (10-12 s) ou menor; i) o feixe resultante é colimado, ou seja, propaga-se na mesma direção, havendo um mínimo de divergência. Essa característica é extremamente importante para uma série de aplicações. A figura 2A mostra a pouca divergência da luz laser. Em contraste, na figura 2B, mostramos a divergência de uma fonte de luz comum. Nesta, a intensidade de energia carregada pela luz decresce com o quadrado da distância entre a fonte e o observador; iv) a luz laser é dita coerente. Isso ocorre porque as diferentes porções sucessivas de uma mesma onda luminosa oscilam para cima e para baixo de forma sincronizada. Quando essas oscilações não ocorrem de forma sincronizada, dizemos que a fonte não é coerente.

Quanto ao meio ativo, há vários tipos de laser.

Cada tipo tem suas características peculiares, que os tornam adequados para determinadas aplicações. A figura 3, que classifica os lasers segundo o estado físico de seu meio ativo, está longe de esgotar todos os tipos de laser conhecidos hoje.

Grande invasão

O primeiro laser foi inventado em 1960 (ver ‘O inventor do laser’). Porém, os primeiros equipamentos estavam restritos ao uso em laboratórios. O passo inicial rumo à grande invasão dos lasers em nosso cotidiano se deu com a invenção, em 1962, do laser de estado sólido do tipo semicondutor – mais especificamente, o laser semicondutor de arseneto de gálio.

Em um semicondutor, os elétrons encontram-se em duas bandas (níveis) de energia: uma denominada banda de valência, na qual eles estão ‘semilivres’, e a outra chamada banda de condução, em que, como o nome diz, eles estão livres de seus átomos. Uma fonte externa de energia – corrente elétrica, por exemplo – pode bombear energia para o semicondutor e, assim, excitar os elétrons e os fazer passar da primeira para a segunda banda.

Simplificando um processo que é complexo, podemos dizer que, na volta para a banda de va-

Figura 1. Esquema simplificado das partes que constituem um laser. O bombeamento fornece energia ao meio ativo. Com isso, há acúmulo de energia na cavidade. Nesta, um espelho semitransparente permite um pequeno vazamento da luz produzida, que constitui o feixe de luz laser

Figura 2. Em A, o brilho relativo da luz laser praticamente não diminui com a distância à fonte. Em B, diminuição do brilho relativo de uma fonte incandescente

dezembro de 2005 • CIÊNCIA HOJE • 3 lência, os elétrons devolvem ao meio a energia extra na forma de luz (fótons), que acabam confinados ao próprio semicondutor, pois suas faces são bem polidas – em outras palavras, o semicondutor age como uma cavidade óptica. O aumento de corrente permite aumentar o número de elétrons excitados, aumentando, assim, a quantidade de luz emergente.

Por serem excitados por corrente elétrica de forma direta – o que permite o uso de pilhas ou baterias – e por terem dimensões tão pequenas – o cristal de semicondutor pode ser submilimétrico –, esse tipo de laser encontra uma infinidade de aplicações. Talvez, os exemplos mais próximos do cotidiano de um laser de semicondutor sejam o das ‘canetinhas’ laser, comumente usadas em palestras, e os usados nos CDs.

Mudando-se os tipos de dopantes (quantidades mínimas de elementos químicos que são misturados aos semicondutores), pode-se alterar a distância entre as bandas de valência e de condução e, portanto, a cor (comprimento de onda) da luz emergente.

Não seria justo deixar de mencionar um pouco da vida do físico norte-americano Charles Hard Townes, o inventor do laser. Townes nasceu em Greenville, na Carolina do Sul (Estados Unidos) em 1915. Formou-se em física pela Universidade de Furman e fez pós-graduação no Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech), onde recebeu seu doutorado em física em 1939.

Na Segunda Guerra Mundial, Townes desenvolveu sistemas de radares para os laboratórios da Bell Telephone. Em 1950, transferiu-se para a Universidade Columbia, onde fez sua descoberta mais importante. Como fazia pesquisas com radares, ele identificou a carência de um mecanismo que gerasse microondas de alta intensidade. Nenhum circuito eletrônico era capaz de criar essas ondas. Ele sabia que o calor ou a eletricidade podia dar às moléculas de amônia a energia necessária para a liberação de microondas. Um pequeno raio de microondas enviado através do gás amoníaco estimulava as moléculas a liberarem simultaneamente sua energia. Até um raio bem fraco conseguia iniciar o processo e amplificar sua energia. O resultado era uma avalanche de microondas de mesmo comprimento de onda. Em dezembro de 1953, Townes e seus alunos construíram esse sistema, capaz de excitar as moléculas de amônia e retirar delas a energia com um fraco feixe de luz, que incorporava em si mesmo a energia. Esse dispositivo ficou conhecido como o maser (sigla, em inglês, para amplificação de microondas por emissão estimulada de radiação).

Em 1958, Townes, juntamente com seu cunhado, Arthur Leonard Schawlow (1921-1999), realizaram experimentos, alcançando grande progresso na direção de produzirem um maser de luz visível. Esse seria o laser. Dois anos depois, o físico Theodore Maiman, da Universidade Stanford (Estados Unidos), construiu o primeiro laser de estado sólido, feito com base em um rubi.

Neste Ano Internacional da Física, vale lembrar que o ponto seminal para o surgimento do maser e do laser foi a chamada emissão estimulada – ou seja, a luz pode estimular átomos a emitirem mais luz. Os processos de emissão (espontânea e estimulada) e de absorção de radiação pela matéria foram tratados pelo físico de origem alemã Albert Einstein (1879- 1955) em três artigos publicados entre 1916 e 1917.

Figura 3. Tipos de laser segundo o meio ativo. YAG é uma pedra sintética que se assemelha ao diamante e que, para uso em lasers, recebe pequenas porções – diz-se que é dopada – de outros elementos químicos em sua estrutura. Os comprimentos de onda estão representados em milionésimos de metro ( m)

Tipo de laserMeio ativoComprimento de onda de operação

SólidoRubi ( Al2O3 – Cr2O3)0,694 m

Neodímio-YAG1,06 m Érbio-YAG2,94 m Neodímio-YAG – dobrado0,532 m Hólmio-YAG2,10 m Arseneto de gálio (Ga-As)0,6 – 1.1 m

Líquido Corantes Todo espectro

Townes: prêmio Nobel de Física em 1964

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Aplicações científicas

Hoje, é praticamente impossível um campo das ciências experimentais que não tenha algum uso para o laser. Na física, a pesquisa sobre o laser é uma área por si só. Normalmente denominada óptica quântica, ela se dedica exclusivamente ao estudo do desenvolvimento de teorias e modelos que expliquem as inúmeras propriedades dessa radiação e de sua interação com a matéria.

Na espectroscopia (estudo da matéria através de sua interação com a luz), o laser tornou possível entender detalhes delicados da natureza atômica e molecular. Métodos analíticos de precisão sem precedentes são atualmente rotina nos laboratórios de química e física no mundo.

O laser nos permite ainda controlar o movimento de átomos, produzindo a chamada física dos átomos frios, na qual tem sido possível realizar experimentos inéditos que revelam a natureza quântica da matéria. As técnicas de manipulação de átomos com luz fizeram surgir a chamada computação quântica (ver ‘A RMN e suas aplicações atuais’, em CH no 221).

Na biologia, o laser ganhou terreno com as chamadas pinças ópticas (feixes de luz que agem como pinças mecânicas e que possibilitam movimentar ou segurar organelas celulares, por exemplo) e com técnicas modernas de microscopia.

Um exemplo de avanço recente é o chamado relógio atômico – mostrado na figura 4 –, um padrão de tempo e freqüência usado em todo o mundo, definido a partir da determinação precisa de certas freqüências da luz emitida quando um átomo de césio excitado volta ao seu estado ‘natural’.

A técnica de resfriar átomos a baixíssimas temperaturas com a ajuda da luz permitiu a realização experimental de uma das mais importantes previsões físicas do século passado: o condensado de Bose-Einstein, ‘estado’ da matéria em que um conjunto de átomos se comporta coletivamente, como se fosse um ‘átomo gigante’.

Na fronteira entre física e arte, o laser permitiu o surgimento dos hologramas (fotografias em três dimensões), de enorme beleza e aplicabilidade técnica – nesse último caso, por exemplo, na forma de selos que comprovam a autenticidade do produto.

O surgimento da fotônica

Uma das grandes aplicações atuais do laser está em seu uso nas telecomunicações. Que a luz é capaz de transmitir muito mais informações que a corrente elétrica, isto já se sabia havia muito. O principal problema era que a tecnologia não estava avançada o suficiente para permitir a implementação dessa idéia.

Com o advento do laser, esse problema foi resolvido em parte, e a transferência de informação via luz começou a despertar interesse, embora de forma bem modesta. Com as fibras ópticas, a comunicação óptica explodiu e conquistou a sociedade. A capacidade de transmitir informação via luz acoplada a uma fibra óptica é tremenda. Por exemplo, toda a cidade de São Paulo poderia falar com a do Rio de Janeiro, por telefone, através de meia dúzia de fibras ópticas. A constante demanda por mais informação – e em uma velocidade cada vez maior – transformou a comunicação óptica em um dos campos mais prósperos da tecnologia atual.

O princípio da comunicação óptica é simples: a luz, em vez da corrente elétrica, carrega a informação. A propagação da luz através de uma fibra óptica é baseada na chamada reflexão interna total da luz. Dentro de uma fibra óptica, a luz reflete na superfície interna quando sua incidência supera um certo ângulo de incidência em relação a ela. Assim, uma vez introduzida na fibra, a luz realiza um ziguezague fantástico, causado pelas reflexões internas, até emergir do outro lado, praticamente sem perder energia.

Figura 4. Relógio atômico de átomos de césio, o primeiro construído no Brasil. Dois feixes de luz laser preparam e analisam as oscilações atômicas, definindo o padrão de tempo

Figura 5. Feixe de luz laser corta placa de aço, um trabalho preciso e rápido e sem perda de material dezembro de 2005 • CIÊNCIA HOJE • 35

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