Raio Laser e sua aplicações - Apostilas - Fisica, Notas de estudo de Física. Universidade do Estado do Amazonas (UEA)
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Brigadeiro6 de Março de 2013

Raio Laser e sua aplicações - Apostilas - Fisica, Notas de estudo de Física. Universidade do Estado do Amazonas (UEA)

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Apostilas de Física sobre o estudo do Raio Laser e sua aplicações, definição, a excitação dos átomos, a construção do aparelho.
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Um laser é um aparelho que amplifica a luz para produzir um feixe intenso e fino de ondas, com uma cor muito pura.

As fontes de luz comum são incoerentes, isto é, emitem ondas de muitos comprimentos de onda diferentes e com as mais diversas relações de fase. Mesmo quando se usa luz com quase o mesmo comprimento de onda, como a luz amarela de uma lâmpada de vapor de sódio, ainda existe uma relação variada de fase. O resultado é que os feixes luminosos desse tipo se espalham muito rapidamente e também grande parte de energia se perde por interferência destrutiva.

Em 1954, os físicos desenvolveram um método para produzir ondas coerentes na região das micro-ondas. Esse dispositivo foi chamado de maser. Seis anos depois, os princípios do maser foram aplicados para a região ótica. Um maser ótico é chamado laser.

A excitação dos átomos

Qualquer átomo pode ser considerado como formado por um núcleo em torno do qual se movem pequenas partículas, os elétrons. O movimento dos elétrons não se processa de um modo qualquer; são permitidos apenas certas classes de movimentos, e a cada uma delas está associada uma certa quantidade de energia. Quanto mais próximos estão os elétrons em relação ao núcleo, menor é a energia do átomo. Diz-se que o átomo está no estado fundamental quando possui a menor energia possível. Se sua energia aumenta, ele passa a um de seus vários estados excitados, que correspondem a níveis de energia mais elevados. Um átomo está normalmente no estado fundamental, mas pode passar a um estado excitado se absorver energia. Há vários modos de produzir a excitação: pela passagem de uma descarga elétrica no material, pela absorção de luz, pelos choques entre átomos, que ocorrem a altas temperaturas.

O átomo sempre tende a voltar ao estado energético mais baixo. Quando ele passa de um nível excitado ao estado fundamental, a diferença de energia deve ser liberada. Ocorre então emissão de luz de outra radiação eletromagnética. De acordo com a teoria quântica, essa radiação é emitida do átomo sob forma concentrada - como uma espécie de partícula, o fóton.

Fótons de uma luz pura, de um único comprimento de onda (luz monocromática) são iguais entre si: todos eles transportam a mesma energia.

Na maioria dos casos, o estado excitado tem uma vida muito breve, da ordem de 10 nanosegundos (1ns = 10-9s). E logo o átomo retorna ao estado fundamental. Entretanto, há átomos dotados de uma particular estrutura de níveis energéticos, tal que a excitação acarreta uma situação menos instável. Uma vez excitado, o átomo pode manter esse estado por lapsos de tempo muito superiores a 10 nanosegundos: milionésimos, milésimos, alguns segundos ou

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mesmo horas. Tais níveis são chamados metaestáveis. Para o efeito laser empregam-se, na prática, átomos dotados de níveis metaestáveis de energia.

Por efeito da temperatura, nem todos os átomos se encontram no estado fundamental; alguns deles já estão excitados. A maioria, entretanto, se acha no estado fundamental. Ora, fazendo incidir sobre o sistema um feixe de radiações eletromagnéticas, cuja energia seja igual à diferença de energia que separa os dois níveis, fundamental e metaestável, uma ponderável parcela de átomos do sistema será conduzida ao estado excitado. Como se trata de nível metaestável, eles podem assim permanecer por um intervalo de tempo relativamente longo. Eis, portanto, uma espécie de "bomba" armada, pronta para o disparo.

O gatilho para o disparo do sistema pode ser uma radiação eletromagnética, de comprimento de onda idêntico ao da radiação que o átomo emite quando decai rumo ao estado fundamental. À passagem dessa radiação, os átomos do sistema vão decaindo sucessivamente, emitindo radiações que vão engrossando o feixe. No fim do processo, a maioria dos átomos está no estado fundamental, reconstituindo a situação de partida.

Cumpre notar que o feixe de radiações criado é um feixe coerente; todas as radiações emitidas estão em fase.

A construção do aparelho

Os laser podem ser feitos de materiais sólidos, líquidos ou gasosos. Uma forma comum de laser sólido, que também foi o primeiro a ser produzido, consiste de um longo cristal de rubi. As duas extremidades do bastão de rubi são planas e paralelas e são prateadas para atuarem como espelhos. Uma das extremidades é apenas ligeiramente prateada, de modo que o feixe luminoso resultante pode sair do laser (não mais que 1% da luz incidente consegue ultrapassá-lo). O bastão de rubi é cercado por um tubo luminoso contendo xenônio ou outro gás adequado. Quando uma pulsação de eletricidade passa pelo tubo luminoso, o gás se ioniza e brilha por instantes. Essa luz é absorvida por átomos de cromo no cristal de rubi, levando os elétrons que se encontravam no estado fundamental para o nível metaestável.

Em seguida sobrevem o disparo; há várias formas pelas quais o sistema pode ser acionado. Mas, suponha que o sistema seja abandonado, em repouso, à sua própria sorte. Basta que um só dos átomos excitados decaia, para desencadear todo o processo de emissão. As radiações, em virtude dos espelhos, são continuamente refletidas de um lado para o outro, criando um conjunto de ondas estacionárias ao longo do cristal. Paulatinamente varrido em toda a sua

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extensão, o sistema volta ao estado fundamental. A luz produzida, por sua vez, escapa pouco a pouco através do espelho semitransparente.

Aplicações do laser

Depois que um feixe luminoso parte do laser, pode ser mais concentrado ainda, por meio de dispositivos de focalização. A potência desses raios laser pode ser de vários milhões de watts, não sendo, portanto, de surpreender que a luz laser corte metal e que possa ser refletida da Lua como um feixe de radar. A tecnologia do laser também está sendo aplicada a comunicações a longa distância e ao processamento de dados. Você também pode encontrar o laser em leituras ópticas, nos preços dos produtos em supermercados e nos mais modernos vídeos e discos.

Cirurgia a laser

Na medicina, os lasers estão sendo usados com êxito em operações delicadas. Diferentemente dos bisturis, ele corta ao gerar calor no tecido corporal. O aquecimento cauteriza os vasos sangüíneos e faz a incisão, minimizando o sangramento. A luz pode ser direcionada com grande precisão. É ideal para operações nos olhos, quando corrige retinas, repara veias rompidas ou molda a córnea para curar deficiências da visão. Os bisturis a laser geralmente usam o dióxido de carbono, enquanto as máquinas para a oftalmologia costumam usar o argônio.

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