Projeto - raios laser, Trabalhos de Engenharia Elétrica

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UNIVERSIDADE PAULISTA

CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA

ENGENHARIA CICLO BÁSICO

JONATHAN WILLIAM SOARES GUERINO

RA 614885-

EE8P

ATIVIDADES PRÁTICAS SUPERVISIONADAS

CAMPINAS, 2013

JONATHAN WILLIAM SOARES GUERINO

ATIVIDADE PRÁTICA SUPERVISIONADA

RAIOS LASER E SUAS APLICAÇÕES NA CIÊNCIA E NA TECNOLOGIA

Trabalho apresentado como requisito parcial para obtenção de aprovação na disciplina de Atividades Práticas Supervisionada do Curso de Engenharia – Ciclo Básico, na Universidade Paulista.

Orientador: Prof. Dr. Eng. Éder Carlos Moreira

RESUMO

The optics is a field of physics that conducts studies of light or electromagnetic radiation. One of its topics quantum optics has been a hotly debated topic among scientists and physicists many times that discusses the wave-particle duality of electromagnetic radiation. For many decades has been discussed by many scientists and physicists that electromagnetic radiation had characteristic waveforms , however in the twentieth century have been proposed new theories about the nature of radiation considering the corpuscular nature. Such a theory and studies allowed the development of electromagnetic radiation studies and visualization more clearly the electromagnetic spectrum. The studies allowed the implementation of many new technologies highlighting the laser beams, which are present in our daily lives since we went on a door of a mall, we use our bank card magnetic drive or enjoying the beauty of the arts through DVD and other media without realizing we are surrounded by the largest technology developed in the last century. Another highlight is the development of medical technology in eye care that enable better quality of life of an entire population , prevention and accurate diagnosis of diseases and severe fractures without we notice we are surrounded by the benefits of these effects.

KEY WORDS: Laser Beams, Maser, Theory of Relativity, Quantum Physics.

Sumário

INTRODUÇÃO........................................................................................................................................ TEORIA DO CORPO NEGRO................................................................................................................ LEI DE RAYLEIGH-JEANS................................................................................................................... 7 TEORIA DE PLANCK............................................................................................................................ 8 PROCESSO DE ABSORÇÃO E EMISSÃO DE FÓTONS.................................................................... 9

• MASER E O RAIO LASER...................................................................................................................
• IMPACTOS NA SOCIEDADE E APLICAÇÕES TECNOLOGICAS..................................................
• EFEITO DO TRABALHO NA FORMAÇÃO ACADÊMICA..............................................................
• CONCLUSÃO........................................................................................................................................
• BIBLIOGRAFIA....................................................................................................................................

Ao final do XIX, a física vivia seu período ápice segundos alguns historiadores, os trabalhos realizados sobre as leis mecânicas e gravitação estabelecidos Isaac Newton foram aprimorados gradativamente desde o século XVII. Em 1861 e 1862, James Clerk Maxwell publicou um artigo dividido em quatro partes denominado On Physical Line of Force , tal artigo estabelecia equações que em anos posteriores seriam conhecidas como as “equações de Maxwell”, as teorias descreviam claramente o campo eletromagnético, entretanto somente em 1887, Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894) tais equações foram confirmadas experimentalmente e confirmando a natureza ondulatória da radiação eletromagnética. Ainda no século XIX importantes físicos e cientistas com Huygens afirmavam a natureza ondulatória da luz.

Em 1859, os principais físicos da época encontraram resistência para equacionar como um corpo aquecido irradiava energia. Tal problema levou ao estudo da radiação térmica ou radiação de corpo negro, no termo corpo negro deu-se devido à consideração que um corpo que absorve toda a radiação que irradia sobre ele, sem refletir essa radiação, um corpo com tais características é denominado um corpo negro, conforme definição de Kirchhoff: “n um corpo negro ideal, em equilíbrio termodinâmico a temperatura T, a radiação total emitida deve ser igual à radiação total absorvida”.

No século XX, os cientistas Rayleigh, Wien, Planck e outros desenvolveram estudos minuciosos sobre a teoria de corpo negro.

LEI DE RAYLEIGH-JEANS

No início do século XIX, Lord Rayleigh e Sir James Jeans publicaram respectivamente em 1900 e 1905, a lei conhecida como a Lei de Rayleigh-Jeans proposta uma teoria sobre radiação eletromagnética dos comprimentos de onda. Tal teoria descrevia a densidade de energia da radiação do corpo negro:

A equação descrevia corretamente o funcionamento para pequenos comprimentos de ondas, entretanto para baixos comprimentos de ondas a densidade de energia tendia ao infinito. Embora os resultados obtidos experimentais estivessem em

consonância para baixas frequências, para altas frequências tornava-se indescritível. Isto se tornou conhecido como a “Catástrofe do ultravioleta”.

TEORIA DE PLANCK

Em 1900, Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858-1947) na busca por melhoria nas equações de Wien que adequou dados experimentais para comprimentos de ondas curtos desviados para comprimentos de ondas maiores. Planck propôs um postulado que explicava o principio de absorção e emissão de radiação eletromagnética em função do comprimento de onda e temperatura:

1. A radiação eletromagnética dentro de uma cavidade está em equilíbrio como os átomos da parede que se comportam como osciladores harmônicos de frequência v.
2. Cada oscilador pode absorver ou emitir energia de radiação eletromagnética em quantidade proporcional a v. Quando um oscilador absorve ou emite radiação eletromagnética, sua energia aumenta ou diminui em quantidade hv.

R(λ, T) – Radiância para cada comprimento de onda ().

λ – Comprimento de Ondas da radiação eletromagnética emitida

h – Constante de Planck, sendo

c – Velocidade da Luz, sendo

k – Constante de Boltzmann sendo

• (^) O Postulado da Frequência: os átomos irradiam energia somente quando um elétron sofre uma transição de um estado estacionário para outro estado estacionário, sendo a frequência da radiação emitida f, relacionada às energias das órbitas.
• Principio da Correspondência: no limite de grandes órbitas e altas energias, os resultados quânticos devem coincidir com os resultados clássicos.

Figura II – Transição de orbitais

Assim transferência de uma orbital exterior para uma interior há emissão de fóton de energia e no processo inverso há absorção de fóton de energia.

Com um experimento em uma ampola de gás hidrogênio a baixa pressão. Tal ampola é alimentada por alta tensão e conectada a dois elétrodos.

Figura III – Ampola de gás hidrogênio a baixa pressão

Devido há alimentação dos elétrodos há emissão de elétrons do cátodo para o ânodo, entretanto durante a transição há o choque de elétrons da excitação com os elétrons de hidrogênio, durante o choque há uma transição eletrônica para níveis exteriores da nuvem eletrônica, com esse elétron em um nível elevado, ele torna-se instável, com diminuição de potencial de energia cinética ele retorna a sua órbita, nesse processo há emissão de fóton de energia, que constitui na radiação (vide figura IV). Também se observou que a variação do choque influência diretamente, por exemplo, para um choque elevado o elétron livre alcançaria níveis orbitais mais altas e o seu retorno a orbital inicial produziria radiação com comprimentos de onda diferentes, a figura V ilustra o espectro de emissão de fótons.

Figura VI – Emissão estimulada de elétrons

MASER E O RAIO LASER...................................................................................................................

Após as descobertas de Einstein sobre a natureza corpuscular iniciou-se estudos para construção. Em 1952, os físicos russos Nikolay Bassov e Alexander Prokhorov aplicando os princípios de emissão estimulada proposta por Einstein, desenvolveram os princípios teóricos para a operação de um dispositivo amplificador microondas por emissão estimulada de radiação - Microwave Amplification by Smitulation Emission of Radiation - , ficando conhecido como MASER, os trabalhos desenvolvidos pelos russos foi apresentado em maio do mesmo ano e os resultados foram publicados posteriormente em 1954.

Durante a II Guerra Mundial, o físico Charles Hard Townes especializou-se em sistemas de radar de microondas, suas pesquisas nos anos da II Guerra Mundial despertou-lhe interesse pelo estudo da espectroscopia. De posse das teorias de emissão estimulada de Einstein, Townes desenvolveu serias ponderações de que seria possível converter em radiação eletromagnética as vibrações das moléculas encerradas numa caixa de ressonância. Após três anos, Townes obteve os primeiros resultados com gás de amônia que possibilitaram conseguiram vibrações necessárias para comprimentos de dois mm elaboraram também o MASER.

No ano de 1964, Nikolay Bassov, Alexander Prokhorov e Charles Townes receberam o prêmio Nobel da Física pelas suas contribuições.

Após as descobertas dos físicos, iniciou a busca por uma dispositivo MASER óptico, ou seja, um dispositivo que emitisse um feixe coerente com frequência na região visível ao olho humano, vide figura III. Townes, acompanhado de seu amigo Arthur Schawlow propuseram dispositivo com uma cavidade contendo um meio ativo e dois espelhos.

Figura VII – Espectro Óptico Em 1960, Theodore Maiman desenvolveu o primeiro Laser no Laboratório de Pesquisa Hughes, na Califórnia. A palavra Laser deriva-se da abreviação em inglês ‘ Light Amplifier by Stimulated Emitter of Radiation ’, portanto trata-se de um amplificador de luz por emissão estimulada de radiação, atuando na região infravermelha e ultravioleta.

Figura IX – Laser de rubi

Segundo as teorias de Bohr, para emissão de fótons é necessário excitar os elétrons da banda de baixa energia, a fonte de energia externa é o tubo de flash, com o tubo de flash ligado ele produzirá fótons que excitará os elétrons livres no meio ativo levando a inversão dos estados, sendo predominante a presença de elétrons excitados. Quando isso ocorre, estimulam-se alguns elétrons a emitirem seus fótons, neste momento a superfície espelhada tem o papel de refletir os elétrons provocando a emissão de fótons através de outros elétrons (vide figura X), que inicia um efeito em cascata de modo que o fóton emitido por um elétron estimula o elétron seguinte a emitir outro fóton de igual comprimento de onda e fase, o que vai amplificando a emissão de feixes de luz de comprimento de onda definido e coerente.

Figura X – Processo de emissão do raio Laser

IMPACTOS NA SOCIEDADE E APLICAÇÕES TECNOLOGICAS..................................................

A construção do Laser de Maiman abriu o caminho para o desenvolvimento de outros lasers, onde se destaca a construção em 1962 do primeiro Laser semicondutor de Robert Hall, que atuou como Engenheiro na General Electric e 1964 da construção do primeiro Laser de dióxido de carbono de Kumar Patel, que atuou como Engenheiro na Bell Laboratories.

A descoberta e a construção do primeiro Laser trouxeram grandes mudanças no cenário da época, principalmente com o emprego dessa tecnologia foi possível à resolução de muitos problemas nos meios de comunicação e saúde, também o desenvolvimento de tecnologias militares, segurança e na indústria.

Os principais meios de comunicação da época eram o telex, rádio, fax e telefone, uma evolução significativa foi no desenvolvimento dos cabos ópticos, com o emprego de tecnologia baseada nos raios laser foi possível à transmissão de dados com mais agilidade, um exemplo é a transmissão de informações bancárias.

Figura XI - Leitor de cartões magnéticos a laser

Em 1987, no Hospital Presbiteriano de Nova York, realizou-se a primeira cirurgia oftalmológica de córnea para extirpação de um tumor na retina, com o sucesso foi possível detectar que o raio laser catalisa a cicatrização. Hoje se tornou uma das

Figura XIII – Máquinas de corte a laser

Com a introdução da tecnologia dentro da informática foi possível à evolução considerável de equipamentos de informática como: mouses ópticos e teclados que evoluíram grandemente nesses últimos anos. Também se destacam ainda nesse setor os leitores de CD, DVD e até mesmo Blu-ray são hardwares que usam como base a tecnologia dos raios lasers.

Figura XIV – Mouse óptico a laser

EFEITO DO TRABALHO NA FORMAÇÃO ACADÊMICA..............................................................

Acredito que o trabalho e os estudos efeitos fotoelétricos e Compton ajudaram muito na compreensão dos efeitos físicos presentes em muitas tecnologias da sociedade, compreender os efeitos envolvidos em um experimento físico ajudam com maior clareza no momento da aplicação daqueles equipamentos. Como futuro Engenheiro Elétrico, os conceitos aprendidos através deste trabalho fornecerão embasamento teórico suficiente para a aplicação em outros além do que foram discutidos. Concluo que o trabalho científico foi muito importante para o meu conhecimento e compreensão dos raios laser, porque permitiu a compreensão mais abrangente das tecnologias que emprego diariamente no ramo industrial e aumento minha gama de conhecimento físico, permitindo ainda aperfeiçoar minhas competências de na elaboração de textos técnicos.

CONCLUSÃO........................................................................................................................................

Neste trabalho explanei os estudos dos raios laser e suas aplicações na tecnologia, no contexto científico e histórico, explicando as primeiras observações, ponderações e experimentos de físicos e cientistas, até desenvolvimento, das teorias e equações que descrevem a radiação eletromagnética. A descoberta dos raios laser e a construção do laser de rubi trouxeram grandes benefícios à sociedade fornecendo soluções inovadoras para indústria, segurança, telecomunicações, saúde. Conclui-se que a descoberta ajudou de maneira significativa o desenvolvimento de nossa sociedade, com a aplicação na indústria ajudou no desenvolvimento da qualidade, precisão e segurança ao trabalhador que opera as tecnologias, no setor de saúde observou grande avanço na medicina, aumentando de maneira significativa à qualidade, além do desenvolvimento de teorias fundamentais e nos estudos das ondas eletromagnéticas que agregaram valor à física quântica.

BIBLIOGRAFIA....................................................................................................................................