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MA|SCrËNCn
LASERl
Cezar Cavanha Babichak
Introdução
falaralgosobreo laser.
Muitosde nósjá ouvimos
de
vemosa todahorapistolas
animados
Nosdesenhos
visuaisfeitos
vemoseÍeitos
laser;nosshowsmusicais
ondese
de cirurgias
também,
como laser.Sabemos,
o laser.Maso queé, aÍinal,o laser? O
tenhautilizado
?
quetornaessa"luzmágica"
emalgotãoespecial
nestetexto.Masantes
E sobreissoqueÍalaremos
o quevema sero
deexplicar
dequalquertentativa
coisasmuitoimpodanlaser,temosdesaberalgumas
tessobreluz.
Maso que é aluz?
coma luz,mas
diariamente
Todosnósconvivemos
pensar
para
parado
o que
talveznuncatenhamos
quese
que
é
sabemos
O
venha
ser.
ela
realmente
quarto
nada
escuro,
totalmente
um
em
entrarmos
a
se
acendermos
Então,
ver
lá
dentro.
conseguiremos
seja,
melhor.
Ou
poderemos
quarto,
enxergar
luzdo
onde
algoquenosdeuo poderdesabermos
aconteceu
que
nossa
cama
a
Sabemos
e comoas coisasestáo.
queo nossoguarda
estáláondesempreesteve,
abertode novo,queas roupasde
Íoideixado
roupas
pelochão...Bom,nem
todaslargadas
dormirÍoram
à iluminação
agora.Voltemos
tudoissonosinteressa
a lâmpada,
acender
ao
Nósconseguiremos,
noquarto.
distância
perceber
as coisasqueestãoa umacerta
de
umaespécie
dosnossosolhos.Há,portanto,
"comunicação"
objetos.
e
os
olhos)
entrenós(nossos
fazeressacomunicação
A essealgoquenospermite
de luz.Masissonãoé tudoo quepodemos
chamamos
outras
dizersobrea luz.Temos,ainda,de explicar
entreas quaiso porquêde vermosas cores.
coisas,
que
nessacomunicação,
Ouseja,o quepermite,
de
algunssinaiscomosendodiÍerentes
interpretemos
do
vemosacorazuldiÍerente
outros(porexemplo,
amarelo).
saberalgomaissobreo quejá
Paraisso,devemos
algunsÍenômenos
sobreluz:paraexplicar
Íoiestudado
quea
propuseram
do passado
oscientistas
luminosos,
comoseÍosseumaondapropaganluzsecomportava
do
maisconhecido
Umexemplo
dopeloespaço.
é o eÍeitodeumapedra
ondulatório
compofiamento
jogadaemumapiscina,
naáguaque
círculos
Íazendo
umarolha
Então,secolocarmos
vãoseexpandindo.
dolugarondea
naáguaa umacertadistância
boiando
pelarolhae elaÍará
passarão
pedracaiu,oscírculos
mostrando
desubidae descida,
repetidos
movimentos
entreo pontoondea
quehouveuma"comunicação"
pedracaiuearolha.
possuialgumas
Essemovimentoondulatório
podemos
deÍiniralguns
de onde
caracterÍsticas,
parao estudo
parâmetrosque têm muitaimportância
da luz.Essesparâmetrossão a freqüência(f),o
período(T) e o comprimento
de onda (l).
melhoro que significacadaum
Paraentendermos
acimavoltemosao exemploda rolha
dos parâmetros
piscina.
Se contarmoso númerode vezesque a
na
intervalo
rolhasubiuou desceuem um determinado
de tempo,teremosa f reqüência.Por exemplo,se
contarmosoue ela Íez três vezeso movimentode
s u b i d ae d e s c i d ae m u m s e g u n d ot,e r e m o sa
Í r e q ü ê n c i ad e 3 o s c i l a ç õ eps o r s e g u n d oo, u c o m oé
m a i sc o m u ms e d i z e r t, e r e m o sa Í r e q ü ê n c i da e 3
Hertz(Í = 3 Hz). Parasabermosqual é o períododo
devemoscontaro tempoque
ondulatório
movimento
a rolhalevaparaÍazeruma subidae uma descida.
Assim,se vocêcontarque a rolhalevou2 segundos
parasubire descer,teremoso períododo movimento
iguala 2 segundos(T = 2 s). O outroparâmetro,o
de onda,é o espaço- retomandoo
comprimento
casodas ondasna piscinadescritaacima- entre
Destemodo,se você
doiscírculosconsecutivos.
há quatro
que
entredoiscírculosconsecutivos
medir
de 4
onda
de
o
comprimento
teremos
centímetros,
(
À
=
4
c
m
)
.
centímetros
deonda(l)numadetermio comprimento
Íig1.Denota
nadaoscilação.
detudoissovocêtalvezesteja
Apósestarsabendo
perguntando
o quea luztema vercoma rolhaoucom
Poisbem,a luztambémpossuiumcoma piscina.
o queoscilanãoé
Porém,
portamento
ondulatório.
"campo
chamado
sim
o
mas
rolha,
uma
noquepossa
NãoaproÍundaremos
eletromagnético".
é
momento,
neste
importante,
O
vira seressecampo.
como
um
que
pode
entendida
ser
a luz
o Íatode
comcompoilamento
depropagação
Íenômeno
ondulatório.
dizero quediÍerencia
DestaÍorma,já podemos
daonda
deoscilação
umacordaoutra.E a Íreqüência
olhosreagem
Ouseja,nossos
eletromagnética.
paracadafreqÜência
deonda
diÍerentemente
tiìrirÌ.tú;^i
rííitllw
1t:=
r'1:il
1i,1tl: ! : ï q 1 : :
:i
que chegaaté ele,de tal formaque
eletromagnética
interpretamos
as corescomosendoessasdiÍerentes
Íreqüências.
Porém,nemtodasÍreqüências
de radiapelo
podem
percebidas
olho
eletromagnética
ser
ção
humano.A chamadaluzvisívelabrangeapenasuma
quesabemospoder
pequenaporçãodasÍreqüências
e x i s t i (r e n t r e4 . 3 x 10 1 4 H z e 5 . 7 x 1 0 1 4H z ) .O u t r a s
(nãovisíveisao
regiõesde radiaçãoqueconhecemos
microondas,
rádio,
as
humano)
são
as
ondas
de
olho
os raios-xe os raios
o ultravioleta,
o infravermelho,
gama.
Brevíssimaintrodução histórica
"Light
A palavraLASERé umasigla,que signiÍica
ou
by stimulated
emissionoÍ radiation",
ampliÍication
melhor,"AmpliÍicação
de luz poremissãoestimulada
de radiação".
n u e ,e m 1 9 1 7 ,e s t u d a n dao
F o iA l b e r tE i n s t e i q
e a matéa
radiação
eletromagnética
interaçãoentre
que
vieram
a
ser
introduziu
alguns
conceitos
ria,
laser.
utilizados
oarase fabricaro
(entrematériae
Eleafirmouque naquelainteração
processo
no qual
havia
um
eletromagnética)
radiação
poderia
a
emitir
induzido
ser
um átomoexcitado
"emissãoestimularadiação(o chamadoprocessode
entreradiação
de interação
da").Doisprocessos
conhecidos,
tornaram
e matériase
eletromagnética
processo
eo
espontânea
de emissão
desdeentão:o
orocessode emissãoestimulada.
Destaforma,em 1954,atravésdo aprofundamento
de emissão
dos estudosdos processosestimulados
primeiro
possível
MASER
o
construir
foi
de radiação,
vários
anos
de
(amplificador
Após
de microondas).
laboranos
fabricar,
1960,
conseguiu-se
estudos,em
tóriosde PesquisaHughes,o primeirolaser,Íeitode
cristalde rubisintétlco.Poucosmesesdepois,os
o laser
desenvolveram
da BellTelephone
Laboratórios
partir
(Hélio-Neônio).
tipos
daí,
numerosos
A
de He-Ne
para
mais
diversos
os
de lasertêm sidodesenvolvidos
Íinse aplicações.
O processo de emissão estimulada
de molécuSabemosque a matériaé constituída
por
de
sua vez, é constituída átomos.Ou
las,e esta,
qualquerporçãode um determinapegarmos
seja,se
do materiale Íormosdividindo-oem pafiescadavez
menores,chegaráo momentoem que nãoserámais
possíveldividira matériaem partesiguais.Nesse
isso
instanteteremosa mão a molécula(logicamente
nãoé possívelpoisa moléculatem dimensões
pequenas,
impossibilitando-nos
extremamente
manipulá-la).
de duaspartes:o núcleoe
O átomoé constituído
ParaalgunseÍeitospode-seconsiderar
o(s)elétron(s).
que essesúltimos(os elétrons)giramem tornodo
núcleo,em suasórbitas,da mesmaÍormaque os
olanetastazemem tornodo sol. Porémhá uma
diferençaentreos átomose o sistemasolar:os
ilRi$
sairde
elétronspodem,sob algumascircunstâncias,
sua órbitae ir parauma outra.Porexemplo,parao
elétronsairde uma órbitamaispróximado núcleoe ir
paraoutramaisafastadadevemosÍorneceruma
determinada
energiaa esteátomo(quandoisso
ocorre,dizemosque o átomoestáem seu estado
Da Íormacontrária,
o elétronpodevoltarà
excitado).
suaórbitainicial,perdendoa energiaque havtaganho
inicialmente.
Sempreque issoocorre,a energiaé
ou
liberadaem formade umaondaeletromagnética,
seja,o átomoemiteluz.A Íreqüênciadestaonda
de energialiberada
luminosa
dependeda quantidade
oeloátomo.
a s n o v a si d é i a sd e E i n s t e i n .
F o id a í q u es u r g i r a m
De acordocom suasteorias,existiamdoisprocessos
pelosquaisa emissãode luz poderiamser Íeitos:o
e o estimulado.
esoontâneo
os átomos(ouas moléNo processoespontâneo
de forma
culas)eramexcitadose desexcitados
emitindosua radiação.
desordenada,
os átomos(ouas moléNo processoestimulado,
previamente
excitadose, na presençade
culas)eram
bemdeteroutraondaluminosacom umaÍreqüência
ondana
emitindo
uma
desexcitados,
minada,eram
Íorma
haveria
Desta
da
mesmafreoüência orimeira.
inicial.
radiação
da
umaampliação
o PRocEsso DE EMÍssÃo EsrruulÀDÀ
""'""'\J1.
,,'' >í'à'õ^\icÈ'
'-\
r
'
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_ _ _ _ _ _ _ _I>/ / / o ì \ l \
4.
e
!Êcairen!o
mprrtrcâçãõ
dè
radràçãô
de emissão
do processo
Íig 2. EsquemasimpliÍicado
estimulada.
Componentesdo laser
de dois
Um laseré composto,basicamente,
e umaÍontede
espelhos,um meioampliÍicador
energia.
energiaao meio
A fonteÍornececonstantemente
de tal Íormaque os átomos(ou molécuampliÍicador
las)Íiquemem seu estadoexcitado.Entãoa ondalá
geradaseráamplificada.
de tal Íormaque
Um dos espelhosé semirefletor,
parteda luz batano espelhoe retorneao meioampliÍicadore outrapartesaiado aparelho,paracomporo
Íeixede saídado laser.
há outrosque comAlémdessescomponentes
põema parteperiféricado laser.Existemcomponenque alinhamo Íeixe
tes óptlcos(lentes,espelhos,...)
iiiil;H#Wìili
fii*Íi{s,
:irlrirrlllìiirirúrt&,>ÈFÍfiírilliíii{
11 1 1 ; r 1 ìl '.:Í,i ì; r i ì i r Í ; l
Llii ìliiìililìi.{Ìii!:iírii.rir
i,:r,
llllirillil
de luz na saídado aparelho.lssofaz com que se
de luz que,por estacaracteobtenhaÍeixesÍiníssimos
rística.têm muitasutilidades.
espe Iho
EspeÌho
mÈ 1|]
amp L it ieador
Íe ixe
dÊ saida
tonte
energia
de
elÉÈrica
do laser.
doscomponentes
simpliÍicado
Íig3. Esquema
Tiposde laser
pordoismodos
ElespodemserclassiÍicados
(deacordocoma formacomquese excita
diÍerentes
oude
do meioamplificador
ou moléculas
osátomos
icadorquepossucomo tipode meioamplif
acordo
em):
a) de acordocoma formacomquese excitaos
AsÍormas
do meioampliÍicador.
ou moléculas
átomos
maisusadassão:
.
é fornecida
ondea energia
excitação
óptica,
porumaoutraÍontede luz;
aoampliÍicador
.
ondese dá umadescareletrônica,
excitação
gaelétrica
nomeioampliÍicador;
tipos de laser
s ól i d o
;ífijii,.3*.
.
por colisãoentreátomosdo meio
excitaÇão
E o casodo laserde He-Ne.
amplificador.
que possuemb) de acordocom meioamplificador
gerais,
sólidosou
em
laseres
divididos
são
em termos
Em cadauma
de Íluidos(gasososou líquidos).
de
há umagrandevariedade
dessascategorias,
lasers.
de quartzo,
Os laserssólidossão constituídos
e,
vidroou outrosmateriaiscristalinos em geral,são
(átomosde
com impurezas
dopados(contaminados)
isso
obtém-se
grupo
raras).
Com
das terras
metaisdo
Um
mais
intensa.
radiação
muito
de
uma emissão
ítrio-alumínio
é
o
de
tipo
de
laser
exemplodesse
(YAG),dopadocom neodímio(Nd).
Umaoutraespéciede lasersólidoé o de
(umexemplodesseslasersé o das
semicondutor
"canetasponteiros").
maisusadosem sua
Os materiais
principalmente
os de
metálicos
sãosais
composição
gálio(Ga),índio(ln)e alumínio(Al).Comoexemplo,
(lnGaAs)e o de
temoso de arsenetode gálio-índio
vantagens
gálio
(GaAsP).
As principais
de
arseno-Íosfeto
reduzidos.
e
consumos
sãoseustamanhos
em utilizá-los
orgânicas
moléculas
Os laserslíquidosusam
capazesde emissãoexcitadapor descargasluminosas.Têm tidograndeaplicaçãona áreade
biomédicas.
Os lasersgasosospossuemuma grandediversidade. Incluemlasersde gasessimples(comoo argÔnio
- Ar) passandopor misturasgasosas,até composiçõesmaiscomplexascomovaporesmetálicos.
O gás é mantidodentrode ampolas,em condições
e pressão.Em algunslasers
de temperatura
adequadas
por esÍriamento.
gás
circulado
é
o
maiscomplexos,
meio ampliÍicador
P o t ê n c i al u m i n o s a
eÍiciência
exemplos
v i d r oo u c r i s t a l
< 0 . 1W a > 1 G W (
até 10 "/"
n e o d í mi o ,
d o p a d o sc o m í o n s
g i g a w a t t)
Nd:YAG
( c r o m o n, e o d í m i o) "
g á s a t ô mi c o
0 . 1a 1 . 0W
0 . 1a 1 %
He-Ne
g á sm o l e c u l a r
1Wa100KW
1 0a 3 0 %
coz
g á si o n i z a d o
20Wa>1KW
0 . 1%
n e ô n i oa, r g ô n i o
l í qu i d o
C o r a n t ee m s o l u ç ã o
> 1 K W
0 . 1a 1 0 %
R o d a mi n a
s e mi c o n d u t o r
Diodos
1 a 1 0W
alé 10 "/.
( A l G a ) A sG
, aAs
gasoso
de suascaracterísticas.
classesde lasere algumas
tabela1. Principais
":'H:.,
: 1
itÌ,üt|:tlt:.'
litffi.1.llr
Os exemplosmaiscomunssão os de hélio-neônio
(He-Ne)eos de gás carbônico(CO2).Esteúltimo,
juntamente
com algunstiposde laserssólldos,são os
maispotentesque se encontramhojeem dia.
Característicase aplicações do laser
por ser um
principalmente,
O laserse caracteriza,
feixede luz muitointensoe estreito.Alémdisso,ele
possuioutrascaracterísticas
principalque interessam
menteaos Íísicose ouímicos.Entreelasestãoas
coerências
espaciale temporal,queÍazemcom que o
lasersejaumaÍontede energiamuitoprecisae
controlada,
empregadoem mediçõesde dadose
processos
químicosde determinação
auxiliarem
da
estrutura,
isolamento
e puriÍicação
de substâncias.
Porestascaracterísticas.
o laseroodeser utilizaáreasde atuaÇão
do de diversosmodosem diÍerentes
Vejamos
do homem.
algunsdeles.
podeser utilizado
como
Em processosindustriais,
para
altose
dispositivo
aplicarf luxosextremamente
de energia.E muitoútilporse poder
concentrados
muitorapidamente,
manuseá-lo
substituindo
maçaricos,
arcoselétricos,etc.As Íunçõesmais
específicas
Íreqüentemente
empregadasao lasersão
tratamento
térmicoe
de peduração,
corte,soldagem,
marcaçãode peças.
do
Na medicinaé muitoutilizadoem substituição
bisturicomum.O laseroodeser utilizadocomomaterial
cortante,
tendoa vanlagemde ser um agente
nascirurgias.E bastanteutilizadoem
cauterizador
paraadestruição
de fundo
oftalmologia
de hematomas
de visão.Podetambém
de olhoe correçãode problemas
paradestruircálculosrenais(pedrasnos
serempregado
rins).Há,ainda,estudosquetestamo usodo laserno
queo
acreditando-se
tratamento
de tumoresmalignos,
laserconsigadestruiras célulascancerígenas.
como
Em comunicação,
é bastanteutilizado
Como
e transmissor
de informações.
armazenador
de
do lasercomoarmazenador
exemploda utilização
"compactdisks"
conhecemos
os atuais
inÍormações,
do laser.
(CD's),que são gravadoscom a utilização
o laseré empregade inÍormações,
Comotransmissor
os
do em conjuntocom as Íibrasópticas,substituindo
tantoem sistemas
fiosde cobre.Podemser utilizados
de teleÍoniacomoem sistemasde computadores.
aumentanPode,ainda,ser utilizadoem impressoras,
papéis,
qualidade
em
em
de impressão
do a
queconsisteem reproduzir
holograÍias,
a imagemde um objetofotografatridimensionalmente
para
armasde Íogoe em shows,Íazen'
do,em miras
do eÍeitosespeciaisde iluminação.
'"
t"..
l :
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BibliograÍia
C A L D A S ,M a r i a d a s G r a ç a s C . - L a s e r : P e r s p e c t i v a s
t e c n o l ó g i c a s e d e m e r c a d o . S ã o P a u l o ,S P :
PROMOCET,1986.
FOWLES,GrantR. - Introductionto ModernOptics. Utah:
H o l t .R i n e h a r&t W i n s t o nl N C . ,1 9 6 8 .
N O S S B A U MA, l l e ne P h i l l i p s R
, i c h a r dA . - C o n t e m p o r a r y
for
Optics
Scientists and Engineers. Englewood
CliÍÍs,New Jersey:PrenticeHall lNC., 1976.
Nota
de Iniciação
1. Trabalho
escritocomopartedas atividades
de Educação
da UNICAMP
realizada
na Faculdade
CientíÍica
da
entresetembro
de 1993e julhode 1994,soborientação
Profa.Dra.MariaJoséP.M. de Almeida.
ttt
CezarCavanhaBabichaké mestrandono Instituto
de Educaçãoda USP,membrodo
de Física/Faculdade
Grupode Estudoe Pesquisaem Ciênciae EnsinogepCE.