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
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