Laser

Laser é uma sigla de Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation, que significa “amplificação da luz por emissão estimulada de radiação”. Esse dispositivo produz uma luz altamente concentrada e organizada, graças ao processo de emissão estimulada, conceito introduzido por Albert Einstein em 1917. Embora o primeiro laser só tenha sido construído em 1960, os princípios fundamentais dessa tecnologia já eram bem compreendidos há décadas, preparando o terreno para sua aplicação revolucionária.

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Resumo sobre o laser

• A palavra “laser” significa “amplificação da luz por emissão estimulada de radiação”. O conceito de emissão estimulada foi introduzido por Einstein em 1917, mas o primeiro laser foi criado em 1960, por Theodore Maiman, usando um cristal de rubi.
• O laser emite luz monocromática, coerente e altamente direcional. Isso significa que a luz é composta por uma única cor, tem ondas com fase definida e é concentrada em uma direção específica.
• Existem lasers de estado sólido, gasoso e de semicondutores, classificados conforme o material ativo utilizado para gerar luz.
• As propriedades do laser incluem alta intensidade, controle de polarização e capacidade de gerar luz coerente. Essas características tornam o laser útil em aplicações como corte de materiais, tratamentos médicos e sistemas de comunicação.
• O funcionamento do laser baseia-se na emissão estimulada, em que átomos excitados liberam fótons idênticos ao fóton que os “perturbou”, resultando em luz coerente e amplificada.
• Lasers de alta potência são usados em indústrias e na medicina, enquanto lasers de baixa potência são empregados em dispositivos como leitores de CD.

O que é laser?

O laser é um dispositivo tecnológico que emite luz coerente, monocromática e altamente direcional. Seu funcionamento baseia-se em conceitos da Física quântica. A luz do laser é emitida quando os átomos de um elemento sofrem uma transição para um estado quântico de menor energia. No entanto, diferentemente de outras fontes luminosas, no laser os átomos agem de forma sincronizada para produzir luz com características especiais.

Principais características do laser

• A luz de um laser é monocromática: ou seja, ela é composta por apenas uma única cor ou, mais precisamente, um único comprimento de onda. Para entender melhor, pense na luz branca que vem do Sol. Ela é uma mistura de várias cores (como as que vemos no arco-íris), ou seja, é composta por muitos comprimentos de onda diferentes. Já a luz de um laser, por ser monocromática, não é uma mistura de cores. Por exemplo, um laser vermelho emite apenas luz de um comprimento de onda correspondente ao vermelho, sem misturar outras cores.
• A luz de um laser é coerente: ou seja, as ondas eletromagnéticas que a compõem têm uma relação fixa de fase ao longo do tempo e do espaço.
• A luz de um laser é altamente direcional: ou seja, o feixe de luz emitido por um laser é concentrado em uma direção específica, com uma divergência muito pequena.

Quais são os tipos de laser?

Os lasers podem ser classificados de acordo com o material ativo utilizado para gerar a luz. Lasers de estado sólido, como o de rubi, usam cristais dopados com elementos como neodímio para produzir luz, sendo amplamente utilizados em aplicações industriais e médicas.

Já os lasers gasosos, como o de hélio-neônio e o de dióxido de carbono, utilizam gases excitados para gerar radiação, sendo comuns em laboratórios e em processos de corte. Os lasers de semicondutor, ou lasers de diodo, são compactos e eficientes, empregados em dispositivos como leitores de CD e sistemas de telecomunicação óptica.

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Propriedades do laser

Outra propriedade importante do laser é a sua alta intensidade, que pode ser aproveitada em uma variedade de aplicações, desde cortes e soldas de materiais até tratamentos médicos e comunicações ópticas. Além disso, os lasers podem emitir luz com polarização controlada, o que é útil em muitas áreas, como na análise de materiais e em sistemas de comunicação.

A polarização é uma propriedade das ondas eletromagnéticas, e, no caso do laser, ela pode ser ajustada para atender a requisitos específicos de diferentes experimentos ou aplicações tecnológicas. Essas propriedades características do laser — monocromaticidade, coerência, direcionalidade, intensidade e polarização — fazem dele uma ferramenta poderosa e versátil, com diversas aplicações.

Funções do laser

O laser tem diversas aplicações devido às suas propriedades únicas. Na medicina, é usado em cirurgias oftalmológicas, remoção de tumores e tratamentos dermatológicos. Na indústria, é empregado para corte, soldagem, gravação e medições de precisão. Em comunicações, os lasers são essenciais em sistemas de fibra óptica e transmissão de dados.

Na pesquisa científica, os lasers são usados em espectroscopia e metrologia para medições precisas. No entretenimento, os lasers criam efeitos visuais em shows, além de serem usados em leitores de código de barras, impressoras a laser e sistemas de armazenamento como CDs e Blu-rays.

Como funciona o laser?

A emissão estimulada é o processo central que permite o funcionamento do laser. Ela ocorre quando um átomo, previamente excitado (ou seja, em um estado de alta energia), é “perturbado” por um fóton de luz que tem a mesma frequência que a transição de energia do átomo.

Quando isso acontece, o átomo não apenas retorna ao seu estado de energia mais baixo, liberando um fóton espontaneamente, mas, em vez disso, libera um fóton idêntico ao fóton que o estimulou. Esse novo fóton tem a mesma direção, fase e frequência do fóton original, o que resulta em uma amplificação da luz.

Esse processo é a base para a criação do feixe de luz coerente e direcionado que caracteriza os lasers. Em um ambiente controlado, onde vários átomos ou moléculas estão excitados, a emissão estimulada faz com que muitos fótons idênticos sejam gerados e amplificados, resultando em um feixe de luz concentrado e altamente coerente.

Potência do laser

A potência do laser refere-se à quantidade de energia que o feixe de luz do laser transmite por unidade de tempo. Ela é geralmente medida em watts, em que 1 watt equivale a 1 joule por segundo. A potência de um laser depende de vários fatores, incluindo a intensidade do meio ativo, a eficiência do processo de emissão estimulada, o tempo de emissão e as características do dispositivo laser.

Uma das principais maneiras de controlar a potência de um laser é ajustando a quantidade de energia fornecida ao meio ativo (por meio de uma fonte de excitação, como uma corrente elétrica ou luz externa), o que determina quantos átomos ou moléculas podem ser excitados e, portanto, quantos fótons podem ser gerados. Em lasers de alta potência, como os usados em corte e soldagem industrial, a energia fornecida ao meio ativo é muito maior, resultando em um feixe de laser com alta potência.

A concentração do feixe também desempenha um papel crucial. Embora a potência total de um laser seja uma medida de sua energia, a intensidade (que é a potência por unidade de área) é frequentemente mais relevante, pois um feixe altamente concentrado pode ter um grande efeito sobre o material que está sendo irradiado.

Lasers com alta potência podem ser usados em aplicações como corte de metais, tratamentos médicos (como remoção de tumores) ou soldagem, em que a alta intensidade é necessária para aquecer e modificar o material de maneira eficiente.

A potência de um laser pode variar consideravelmente dependendo da aplicação. Lasers de baixa potência são usados em dispositivos como leitores de CD, enquanto lasers de alta potência são empregados em indústrias e em experimentos científicos que requerem grande intensidade de luz.

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História do laser

A história do laser começa com o conceito de emissão estimulada de radiação, proposto por Albert Einstein em 1917. Ele sugeriu que, ao passar por um átomo excitado, um fóton poderia estimular a emissão de outro fóton idêntico, fenômeno fundamental para a criação dos lasers. No entanto, o conceito de laser só se tornaria viável décadas depois, com avanços significativos na Física e na tecnologia.

Em 1954, o cientista Charles Townes e o engenheiro Arthur Leonard Schawlow desenvolveram a ideia do maser (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation), um precursor do laser, que amplifica micro-ondas por meio de emissão estimulada. O maser foi patenteado em 1954 e demonstrado experimentalmente em 1955, mas não podia emitir luz visível, sendo limitado a micro-ondas.

O primeiro laser funcional foi criado, em 1960, por Theodore Maiman, um físico americano. Ele usou um cristal de rubi como meio ativo e um feixe de luz pulsada para excitar os átomos do rubi. Quando os átomos liberaram fótons devido à emissão estimulada, Maiman obteve o primeiro feixe de luz laser, um feito que marcou o início da era dos lasers.

Nos anos seguintes, o desenvolvimento de lasers se acelerou. Em 1961, o laser a gás foi inventado por Ali Javan, que usou uma mistura de hélio e neon para gerar luz contínua. Esse tipo de laser se tornou popular devido à sua capacidade de produzir luz de alta intensidade e estabilidade.

Durante as décadas de 1960 e 1970, a pesquisa em lasers avançou rapidamente, resultando na criação de diversos tipos de lasers, como o laser de dióxido de carbono. O laser de fibra óptica surgiu nos anos 1970 e 1980, permitindo a transmissão de dados através de fibras de vidro, um avanço fundamental para a comunicação moderna.

O desenvolvimento do laser não só transformou a tecnologia como também abriu portas para novas possibilidades em vários campos, consolidando-o como uma das invenções mais importantes do século XX.

Fontes

CARRON, Wilson; GUIMARÃES, Osvaldo. As faces da física (vol. único). 1. ed. Moderna, 1997.

HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos da Física: Óptica e Física Moderna (vol. 4). 9 ed. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 2012.

NUSSENZVEIG, Herch Moysés. Curso de física básica: Óptica, Relatividade e Física Quântica (vol. 4). 2 ed. São Paulo: Editora Blucher, 2014.