Laser radiation

No paradigma de um universo estacionário, Albert Einstein proferiu as considerações teóricas para os fundamentos laser, mas somente em 1960 o físico norte-americano Theodore Maiman concebeu e utilizou o primeiro dispositivo perfeitamente funcional. Desde então fabricaram-se numerosos tipos de lasers utilizados nos mais variados domínios para benefício da humanidade.

As propriedades de um laser são únicas, o feixe de luz emitido presta-se a mais utilizações que qualquer outra fonte luminosa, é utilizado em aplicações cirúrgicas, na industria civil e militar servindo muitas vezes para calcular distancias através de um método chamado triangulação.

A luz laser apresenta quatro características com uma singularidade complementar, é simultaneamente monocromática, direccional, coerente e intensa. A característica monocromática refere-se a um comprimento de onda específico (uma só cor), todas as outras fontes de luz apresentam uma gama de cores, o conjunto de cores contidas num feixe luminoso denomina-se espectro.

Para criar um espectro de luz é necessário separar as várias cores que compõem um feixe luminoso, deste modo basta apontar esse mesmo feixe para um volume triangular transparente denominado prisma, este por sua vez desvia e decompõe os raios luminosos.

Quando da passagem através de um prisma, cada uma das cores contidas no feixe é desviada (refractada) seguindo uma direcção diferente, deste modo a luz vulgar é constituída por todas as cores perceptíveis à vista e visíveis no arco-íris, desde o vermelho, situado em uma das extremidades do espectro, até ao violeta, situado na outra extremidade.

Sempre que um raio de laser incide sobre um prisma, é também refractado, mas não se dispersa segundo uma gama de direcções, nem produz uma graduação de cores, apenas apresenta uma luz monocromática.

A luz laser também se distingue pela sua forma direccional, isto é, dispersa-se menos que a luz branca, experiências efectuadas recentemente em laboratório, confirmam que o laser a uma distância de 305 metros cobre um círculo de 3m² de superfície, em contrapartida, o feixe de luz de uma lanterna cobrirá, a uma distância idêntica, um círculo de 61m².

Este trivial ensaio revelou-se determinante para um esclarecimento que comprovou definitivamente a eloquência de factos em nada científicos divulgados frequentemente, desmentiu categoricamente a existência de pequenos espelhos na superfície lunar com um propósito de cálculo por triangulação laser à distância de 384.405 km.

Deste modo conclui-se que para a mesma distância percorrida, em relação a um feixe de luz vulgar, o laser dispersa-se em uma área muito menor, no entanto esta dispersão poderá ser ainda inferior se o laser for emitido através de uma lente especial denominada “colimador”.

Outra propriedade da luz lazer é a sua coerência, para compreender esta noção é necessário saber que todo o espectro electromagnético consiste em vibrações que se propagam de forma muito semelhante à das ondulações na superfície de um lago, estas ondas devem-se à aceleração de cargas eléctricas provenientes de interacções magnéticas, a luz visível situa-se no intervalo de tempo da radiação ultravioleta e os raios infravermelhos mantendo uma dualidade onda-partícula.

Contrariamente às fontes de luz vulgares, todas as ondas luminosas emitidas por um laser estão em fase umas em relação às outras, ou seja, todas se propagam ao mesmo ritmo e têm a mesma amplitude, a perturbação oscilante variável no tempo corresponde ao comprimento de onda idêntico em todo o espectro, esta grandeza pode alterar-se em força uma vez que a frequência é inversamente proporcional à sua distância.

A intensidade representa a existência de mais energia contida por volume de área, aumentando a intensidade de radiação, aumenta a quantidade de fotões emitidos por unidade de tempo, o mesmo não se verifica em qualquer outro feixe emitido por uma fonte de luz (incluindo o Sol), a sua intensidade é de tal modo concentrada que um laser de 40Watts é suficiente para cortar uma chapa de aço, algo impensável tendo em conta uma lâmpada de igual potência.

As dimensões dos lasers são variáveis, Alguns têm apenas poucos milímetros de diâmetro, ao passe que outros podem ter entre 50 a 60 metros, a potência de um laser varia entre menos de um milionésimo de watt a varias centenas de milhões de watts, apesar das diferenças de dimensões e potência, todos os lasers são concebidos segundo o mesmo princípio quando compostos por um campo indutor, um meio activo e sistema de ressonância com óptica de saída.

Todos os lasers utilizam energia fornecida por um dispositivo chamado campo indutor, este por sua vez irá produzir um campo magnético que se converte em uma tensão previamente calculada, esta energia é cedida a um meio onde deve permanecer até se transformar em luz laser, este meio denomina-se activo, pois é aqui que se processam as transferências energéticas que vão criar a condição necessária ao equilíbrio térmico da radiação.

Em cada extremidade do meio gerador está colocado um espelho de refracção nula, a luz reflecte-se sucessivamente entre os espelhos provocando um alinhamento nos fotões com sentido longitudinal amplificando-se a cada passagem, o conjunto de espelhos denomina-se sistema de ressonância, um dos espelhos é particularmente concebido de modo a permitir que a luz saia do sistema, o comprimento de onda na radiação emitida deverá ser múltiplo exacto ao espaço restrito no meio activo.

Os dois tipos de mecanismos indutores mais utilizados são o óptico e o eléctrico, ambos têm a função de fornecer energia ao laser. Quando o meio activo é um gás, normalmente uma mistura de hélio “He.2” e néon “Ne.10” na proporção de 5 para 1, o modo de indução geralmente escolhido é o eléctrico, uma corrente eléctrica de grande potência atravessa o gás que absorve a energia transformando-a em luz, mas se o meio activo for formado por um sólido (crómio), utilizam-se sobretudo mecanismos de indução óptica.

Neste caso, lâmpadas especiais particularmente intensas são colocadas junto do sólido, este pode ser constituído por cristais de rubi ou de semicondutores, a energia libertada por estas lâmpadas de grande potência é armazenada e transformada em luz laser. Portanto, o meio no qual a energia se transforma em luz laser pode ser constituído por sólidos ou diversos tipos de gazes, o meio activo pode definir-se como local de armazenamento da energia proveniente do mecanismo indutor, realiza-se assim a conversão da energia em luz laser.

É de facto muito interessante, todo este complexo processo de absorção e emissão de luz, trata-se de uma relação directa que envolve transições entre diferentes níveis de energia dos electrões de valência, na verdade pode dizer-se que a emissão de ondas electromagnéticas (radiação) está directamente relacionada com as alterações de dois estados energéticos dos átomos.

É um fenómeno que envolve partículas subatómicas e pertence aos domínios da física quântica, são transformações peculiares de momento magnético intrínseco e estão na origem da vasta gama de todo o espectro electromagnético, basicamente são os valores de energia cinética e potencial electrostática que se manifestam mediante o estado nuclear das diferentes partículas.

Para um melhor entendimento de todo este sistema é preciso ter uma noção do estado fundamental que distingue o nível de energia do átomo, e consequentemente o modo pelo qual átomos energizados liberam fotões, aqui reside o segredo de um dispositivo que controla a quantidade de energia aplicada a diferentes átomos com electrões em estados idênticos.

Poder-se-á imaginar que o sistemático decaimento de electrões em estado quântico superior se deve a uma subsequente perda de sinergia dos mesmos, o fotão seria o equivalente restante do espectro da conservação de matéria, assim o electrão seria mantido como a existência primordial congénere de um átomo mas esta afirmação não corresponde à realidade, é literalmente falsa.

O que na verdade se passa é inquietante e dramático, o fotão é a energia resultante da aniquilação entre partículas subatómicas, onde o positrão representa a antipartícula que mantém o equilíbrio do estado constante da matéria, o electrão existe em todas as realidades possíveis permanecendo eterno no conflito da intemporalidade, nenhuma energia foi criada no processo, ela foi sempre conservada.

A enigmática transposição dos electrões para uma diferente localização no mesmo instante inicial de tempo não é explicável, mas verifica-se desde que haja absorção de energia por transferência térmica, do mesmo modo afirma-se que após o decaimento radioativo ele reaparece em estado quântico distinto.

Curiosamente, quando uma emissão estimulada é aplicada a uma grande quantidade de electrões com diferentes cargas de energia potencial magnética, o seu campo de orientação (¹/₂) nos dois possíveis alinhamentos de spin, é alterado, todos os electrões adquirem um superior nível de energia mantendo auto-indução.

Quando o número de átomos excitados for superior à soma da inversão dos mesmos, a distribuição estática torna-se proporcional ao equilíbrio térmico da radiação, é então possível obter espectros electromagnéticos com igual comprimento de onda, deste modo o nível de carga eléctrica do átomo encontra-se equivalente ao novo patamar de energia pretendido.

Um electrão é uma partícula com massa de 9.109x10^-31 kg, pertence à classe dos férmions e apresenta um movimento dipolar, a sua orientação encontra-se por cada momento em dois sentidos (up/down) alinhando-se de acordo com o vector angular de estimulação magnética (+¹/₂ com o campo paralelo e -¹/₂ contra o campo antiparalelo).

Existem apenas três processos através dos quais um átomo pode realizar um salto quântico, no processo de absorção as variações para níveis quantizados ocorrem se a energia dos fotões for exactamente igual à diferença entre a energia do estado excitado e a energia do estado fundamental, ou seja, os estados quânticos dos átomos estão predefinidos.

Para que o electrão se localize em qualquer um dos estados quânticos do átomo, será imperativamente necessário E^-E1= h x f, onde h é a constante de Planck (6.62x10^-34) e f é a frequência, mas se a energia de um fotão for superior ou inferior à diferença nos distintos estados atómicos esse mesmo fotão nunca poderá ser absorvido, neste caso o electrão permanece no estado fundamental sem sofrer alteração alguma.

No processo de emissão por desexcitação do electrão, o estímulo é induzido por um fotão com o quantum descrito anteriormente, esse mesmo fotão não será absorvido nem perde qualquer energia, apenas provoca a transição do estado energético para uma orbita inferior previamente estabelecida, o resultado é um outro fotão de simetria unificada ao seu estimulador, ou seja, o fotão liberado no processo é o mesmo que passou incólume, uma descrição ambígua e obscura, mas verdadeira, um paradigma incompreensível, mas constatável.

Para tornar possível o surpreendente efeito laser pretendem-se materiais possuidores de órbitas metastáveis, o tempo de permanência em um nível quântico de superior energia para um electrão espontaneamente estimulado é praticamente imperceptível, os fotões emitidos nesta condição não encontram átomos para provocar a emissão estimulada, o material constituinte do meio gerador deverá ter pelo menos dois níveis intermédios inferiores.

Este fenómeno também pode ser constatado quando na presença de um cristal de rubi concebido artificialmente para o efeito, o cristal composto por átomos de crómio tem propriedades metastáveis de reacção em cadeia, é um processo complexo mas eficaz, sobretudo se pensarmos que tudo tem inicio com um único flash de luz.

Enrolado em volta de um cilindro com 15cm de comprimento e 1cm de diâmetro, o flash dá início à excitação dos átomos, os electrões exteriores passam do seu nível de energia normal para um superior, caindo momentaneamente para um intermédio antes de voltarem ao estado fundamental, no processo cada electrão libera um fotão sempre que o decréscimo no potencial magnético lhe retira inércia.

Alguns destes fotões vão colidir com átomos que contêm electrões ainda no estado intermédio, o fotão incidente, proveniente de um electrão com igual transição orbital, apresenta um nível de energia equivalente à do electrão atingido, este por sua vez retoma o nível electrostático inicial emitindo de novo um fotão que vibra na mesma frequência e direcção do antecessor, provocando assim uma reacção em cadeia.

No interior de um laser esta acção processa-se em seis fases, no entanto sucedem-se tão rapidamente que é impossível distingui-las, sendo a velocidade da luz cerca de 300.000.000 m/s (trezentos milhões de m/s) 3x10⁸,o conjunto das seis fases realiza-se em menos de um milionésimo de segundo.

Romão Casals