A engenharia por trás do Laser

Laser é uma abreviação do inglês que significa amplificação da luz por emissão estimulada de radiação, é um dispositivo que cria um feixe de luz com três características marcantes: monocromático (possui apenas uma cor), coerente (é organizado) e colimado (é propagado como um feixe). Por todas estas características a luz emitida por um laser é bastante intensa, o que garante a realização de tarefas que um feixe de luz normal não é capaz de fazer.

Origem

O desenvolvimento dessa tecnologia só foi possível depois de 1905, quando Albert Einstein publicou seu estudo sobre o efeito fotoelétrico e estudos posteriores foram feitos baseados no conceito de fóton.

Em 1954, o precursor do laser foi desenvolvido: o MASER (amplificação de microondas pela emissão estimulada de radiação). É um dispositivo que produz ondas eletromagnéticas coerentes através da amplificação de emissão estimulada.

Em 1957, o termo LASER usado pela primeira vez, em um artigo do físico Gordon Gould, mas foi apenas em 1960, com o objetivo de desenvolver uma fonte de energia para ser usada em experiências de laboratório e se baseando no projeto de 54, que o físico americano Theodore Maiman desenvolveu o primeiro aparelho laser funcional.

Um fato interessante nessa história é a “Guerra dos Trinta Anos das Patentes”. Quando Gould preencheu as patentes de um possível protótipo elas foram negadas pelo gabinete de patentes e marcas dos EUA que aceitaram e deram prioridade para as patentes do maser. Revoltado com a aparente injustiça, Gould entrou com um processo e ações legais dando início a um longo conflito judicial. A partir de 1987 Gould passou a ganhar dividendos pelas suas patentes reivindicadas e ao final da batalha, ele recebeu “48 patentes pelos aspectos comercialmente valiosos dos lasers”.

Funcionamento

Com o estudo detalhado do efeito fotoelétrico, foi possível estabelecer uma descrição das propriedades e processos de um elétron:

• Absorção: o átomo absorve energia e o elétron passa para órbitas mais distantes do núcleo, fala-se que esse elétron se encontra em um estado excitado.

• Emissão espontânea: após ser excitado, há sempre uma possibilidade do elétron se mover para uma órbita inferior liberando um fóton.

• Emissão estimulada: quando um elétron excitado é acertado por um fóton, será liberado um outro com a mesma frequência e ele retorna ao estado natural.

Para que o laser funcione é necessário que a emissão estimulada seja maior que a absorção, assim foram feitos vários cálculos de probabilidade de transição e formas de fazer com que haja mais átomos nos maiores níveis do que em níveis inferiores aumentando a emissão de fótons. Estes fótons seguirão juntos dentro do sistema até encontrarem outro átomo que irão perturbar, causando a queda de energia de outro elétron e, consequentemente, a criação de outro fóton, tornando o processo uma reação em cadeia.

Para que todo esse processo ocorra, a estrutura interna de um laser é dividida em 3 partes:

• Uma fonte externa que conduz energia ao laser e é a responsável pela excitação dos elétrons. O objetivo da fonte de energia é criar um fenômeno conhecido como inversão da população, ou seja, no criar um ambiente onde existem mais elétrons excitados que elétrons em estados fundamentais de energia. 

• O meio laser é a parte interna, pode ser constituído de uma mistura gasosa, um cristal sólido, fibra de vidro ou até soluções líquidas e é nele que há emissão de energia por meio de radiação, pois é aqui que os átomos se encontram e acontece a emissão estimulada.

• O ressonador é um par de espelhos que possuem o objetivo de amplificar toda a radiação gerada no meio laser, forçando a reação em cadeia mencionada anteriormente. Além disso, é nessa parte que irá haver o direcionamento de toda radiação resultante.

Usos nos dias atuais

Visto o potencial e a capacidade dessa tecnologia, é óbvio que ela é extremamente utilizada nos dias de hoje e valiosa para diversas áreas:

• Medicina: A laserterapia é um tratamento realizado com um laser de baixa potência indicado para cicatrizar feridas, mucosite, queimaduras, úlceras de pressão, dor crônica ou demências, como Alzheimer, Parkinson ou esclerose múltipla. O laser também é usado para corrigir diversos problemas de vista, principalmente a miopia.

• Leitura de CD e DVD: esses aparelhos usam lasers de diodo semicondutor para ler um sinal digital gravado previamente sobre um disco de metal com plástico que será interpretado e a informação será apresentada. Outra leitura que é realizada com laser é a de códigos de barras.

• Indústria: Para conferir precisão e agilidade, é feito o uso de corte a laser. Esse processo utiliza vaporização ou localizada para fazer o respectivo corte do material, tudo com o calor de um feixe de luz que se eleva até à temperatura que atravessa e corta a superfície. É possível obter resultados de máxima precisão, sem afetar ou distorcer o material e a área de corte. Outro processo existente é o de gravação e marcação. O uso de laser nessa etapa é usado pois apresenta diversas vantagens: marcação silenciosa, adaptabilidade a processos que requerem maior precisão, manutenção reduzida, entre outros.

Existem ainda diversos outros usos comerciais do laser: pesquisas científicas,  holografia, comunicação por fibras ópticas, remoção de tatuagem, entre outros. Dessa forma, se torna clara a importância do laser nos dias de hoje, bem como o estudo aprofundado de conceitos físicos para desenvolvimento de tecnologias revolucionárias.

Autor: Thiago Tostes Munck