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Raios Laser

História do Laser

Antes do laser veio o maser. O maser foi inventado por Charles Townes (nascido em 28 de Julho de 1915) na década de 50 e construído em 1954 por ele e colegas da Universidade de Colúmbia (EUA).

O princípio da funcionamento do maser é semelhante ao descrito na seção anterior, com uma diferença. Em vez de átomos excitados Townes usou moléculas de amônia como meio ativo. Ao ser excitada por um agente externo a molécula de amônia entra em vibração com uma freqüência de micro-ondas. Daí, o processo de emissão estimulada gera um feixe coerente de micro-ondas.

Logo que o maser foi demonstrado começou imediatamente a busca por um maser ótico, isto é, um dispositivo que emitisse um feixe coerente com freqüência na região da luz visível. Townes e Arthur Schawlow propuseram um arranjo com uma cavidade contendo o meio ativo e dois espelhos, como descrito na seção anterior. Por esse trabalho Townes ganhou o Prêmio Nobel de 1964, juntamente com Aleksandr Prokhorov (também nascido em Julho) e N. Basov.

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Mas, foi Theodore Maiman (nascido em 11 de Julho de 1927) quem construiu o primeiro maser ótico. Maiman sugeriu o nome "Loser" ("Light Oscillation by Stimulated Emission of Radiation") mas "loser" significa "perdedor" e o nome foi trocado por "laser" ("Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation"), que pegou e ficou.

Em Julho de 1960 Maiman anunciou o funcionamento do primeiro laser cujo meio ativo era um cristal de rubi. O rubi é um cristal de óxido de alumínio contendo um pouco de cromo. Os átomos de cromo formam o meio ativo: são eles que geram a luz laser por emissão estimulada de fótons. Eles são excitados por uma luz externa muito intensa (flash). O átomo de cromo é um sistema de três níveis: a luz externa excita o átomo de cromo do estado fundamental para um estado excitado de vida curta. Desse estado excitado o átomo decai para outro estado excitado de menor energia. A diferença de energia é dissipada na forma de vibrações no cristal de rubi. Esse segundo estado excitado é meta-estável, portanto, conveniente para ser usado na ação laser. De resto, o funcionamento é idêntico ao que descrevemos antes.

Raios Laser

No laser de rubi de Maiman o feixe de luz sai na forma de pulsos de luz muito rápidos. Pouco tempo depois outros lasers foram construídos, usando outros meios ativos, produzindo um feixe contínuo de luz.

Hoje, os lasers já são parte da vida cotidiana. Eles estão nos aparelhos de CD musicais e de computador, nas impressoras, na comunicação por fibra ótica, nos consultórios dos oftalmologistas e até nas mãos dos conferencistas, servindo de apontadores.

Aplicação dos Raios Laser no Dia-a-Dia

Até há pouco tempo os lasers eram considerados objetos exóticos, usados apenas em laboratórios de pesquisa, projetos militares, grandes indústrias e filmes tipo Guerra nas Estrelas. Hoje, toda família de classe média tem pelo menos um laser em casa: aquele que está no aparelho de tocar CDs ("compact disk").

Reprodutores de CD

Os aparelhos de tocar CD e os leitores de CD-ROM usam lasers de diodo semicondutor para ler um sinal digital gravado previamente sobre um disco de metal com plástico. A luz do laser é focalizada sobre uma trilha circular contendo furinhos enfileirados (os "pits"). Quando incide sobre o espaço entre dois furinhos, o feixe de luz é refletido pela superfície polida e incide sobre um detetor de fotodiodo. Quando incide sobre um furinho, a luz se espalha e não atinge o detetor. Desse modo, enquanto o disco gira, o detetor capta uma sucessão de sinais (luz e não-luz, ou 1 e 0) que são os "bits" de informação. Esse sinal digital é transformado, no caso do CD de música, em um sinal sonoro (analógico), amplificado e reproduzido nos alto-falantes.

Raios Laser

O laser usado nesses aparelhos é feito do semicondutor AlGaAs (Arsenieto de Gálio e Alumínio) e gera uma luz na faixa do infravermelho (logo, invisível), com comprimento de onda de 785 milimícrons, isto é, 785 milésimos de mícron, ou 785 x 10-9 do metro. Com esse tipo de luz a distância entre os "pits" pode ser da ordem de 1 mícron. Isso possibilita armazenar cerca de 75 minutos de música em um CD, ou 640 megabytes de dados em um CDROM.

O preço médio de um laser de diodo semicondutor está em torno de 30 reais e seu tamanho é de uns 5 milímetros.

Para aumentar a capacidade dos CDs a indústria desenvolveu novos lasers de diodo que emitem luz na faixa do vermelho (visível) com comprimento de onda de 650 milimícrons. Usando esses lasers e inovações da microeletrônica, surgiram os DVDs ("digital versatile disk"). Com a luz de menor comprimento de onda as trilhas de "pits" podem ser mais densas e os DVDs podem conter muito mais dados que um CD. Um DVD pode conter umas 8 horas de música ou 5 gigabytes de dados.

Mas, a turma ainda acha pouco. Começam a surgir dos laboratórios de pesquisa das indústrias os primeiros lasers de diodo semicondutor que emitem luz azul, com comprimento de onda de 450 milimícrons. Com um laser desses o DVD poderá conter da ordem de 100 horas de música, ou 60 gigabytes de dados!

Códigos de barra

Os leitores de código de barra que vemos em todo supermercado, loja, banco e até banca de revista, usam lasers de Hélio-Neônio (HeNe) que emitem luz vermelha de 638 milimícrons, de baixa potência.

Comunicação

O transporte de dados por fibra ótica está cada dia mais disseminado. Nessa aplicação, os sinais são produzidos por lasers de diodo com modulação de alta velocidade e transmitidos através de fibras óticas feitas de quartzo altamente puro, com espessura de um fio de cabelo. Por uma feliz coincidência, o quartzo leitoso usado nas fibras é extremamente transparente na faixa do infravermelho correspondente à luz dos lasers de diodo.

As informações dessa página que você está lendo sairam de nosso computador e chegaram ao seu passando (muito provavelmente) por fibras óticas em algum trecho do caminho.

Medicina

Os médicos usam lasers mais potentes para vários fins. Os oftalmologistas, por exemplo, usam lasers para tratar de descolamento de retina, corrigir miopia e outros usos cirúrgicos.

Desenvolvimento dos Raios Laser

Sem dúvida, um dos grandes avanços na área médica, neste século foi o desenvolvimentos dos aparelhos de laser. A aplicação dos diferentes tipos de lasers possibilitou uma grande alteração nos procedimentos médicos e odontológicos pois, proporcionou uma grande redução do tempo de duração das cirurgias, no tempo de recuperação dos pacientes, nas complicações pós-operatórias, na redução de edemas e, ainda, facilitou a bioestimulação dos tecidos moles (atualmente conhecida como biorregulação), como também, um maior controle e domínio das dores crônicas.

Assim que o laser começou a ser difundido na área médica, os dentistas verificaram que este sistema de luz poderia ser aplicado em muitos procedimentos odontológicos e que havia um futuro promissor nesta nova fonte de investigação.

As pesquisas com laser na área odontológica começaram nos primeiros anos da década de sessenta e já em 1988, no Primeiro Congresso de Laser no Japão, fundava-se a International Society for Lasers in Dentistry (ISLD) (Sociedade Internacional de Estudo de Laser na Odontologia) e, logo depois a FDA ( United States Foods and Drugs Administration) aprovava o uso do laser para as cirurgias de tecido moles da cavidade bucal.

Normalmente, as grandes invenções não são realizadas por uma só pessoa e sim, advem de uma quantidade de conhecimentos desenvolvidos, ao longo do tempo, onde muitas pessoas colaboram e cada qual proporciona um avanço, quer com os sucessos como com os insucessos. Os sucessos indicavam os caminhos que deveriam ser seguidos e os insucessos, sem dúvida, indicam quais os caminhos que devem ser abandonados.

Iniciar uma história, falando somente de laser, fica imprecisa e atemporal, pois o laser é um tipo de luz e a luz é fonte de vida e sempre foi usada pelos animais e plantas, que aliás, proporcionou sua existência neste planeta.

Laser é uma abreviação das seguintes palavras: " light amplification by stimulated emission of radiation" ou seja amplificação da luz por emissão estimulada de radiação.

Sendo o laser uma amplificação por emissão estimulada de radiação, devemos iniciar falando alguma coisa sobre a luz solar, a primeira que os seres viventes deste planeta viu, sentiu, utilizou como fonte da vida.

Miserandino & Pick (1995) e Brugnera - Júnior & Pinheiro (1998) relataram, em suas pesquisas que a luz solar é utilizada, desde os primórdios da civilização, com finalidades terapêuticas. Assim citam que os indianos (1400 AC) preconizavam uma substância fotossensibilizadora obtida de plantas, que aplicada sobre as peles dos pacientes promovia a absorção da luz solar para curar as a discromia causada pelo vitiligo. Diversas formas de terapia com luz solar foram difundidas pelos árabes, gregos e romanos para tratamento de doenças de pele. Até hoje, se utiliza medicamentos que interagem com a luz. Há, também, inúmeros medicamentos fotossensíveis.

O estudo e desenvolvimentos dos conhecimentos das radiações eletromagnéticas tiveram grande apogeu no final do século passado, com as invenções dos raios catódicos, raios x, radioisótopos, ondas de rádios e luz incandecente.

A teoria de Einstein (1915-1916) sobre a emissão estimulada de luz teve como base a teoria quântica proposta por Planck (1900). Essa teoria analisava as relações entre a quantidade de energia liberada por processos atômicos. Assim, Einstein discorreu sobre a interação de átomos, ions e moléculas com a radiação eletromagnéticas em termos de absorção e emissão espontânea de radiação e, concluiu que o terceiro processo de interação, a emissão estimulada, deveria existir e nela, a radiação eletromagnética deveria ser produzida por um processo atômico.

Na primeira metade do século XX muitas pesquisas foram desenvolvidas e em 1960, Theodore Maiman apresentou o primeiro Maser (microwawe amplification by stimulated emission fo radiation), onde o autor conseguiu, pela primeira vez a emissão estimulada de radiação pela excitação do rubi. Essa emissão estimulada obtida com rubi estava localizada na faixa visível do espectro eletromagnético.

No ano seguinte, muitas novidades surgiram, pois Javan, Bennett e Herriot apresentaram o laser de He-Ne, Johnson desenvolveu o laser de Nd:YAG e em 1964, Patel e colaboradores apresentaram o laser de Dióxido de Carbono.

O primeiro estudo envolvendo o uso de laser em Odontologia coube a Stern & Sogannaes (1964). Eles utilizaram o laser de rubi e aplicaram em tecidos dentais "in vitro" e observaram que este tipo de laser formava cratera e fusão de esmalte e dentina. A dentina exposta ao laser de rubi apresentava crateras e queima de tecido. Eles observaram, também, alterações de temperatura nos tecidos irradiados e chamaram atenção para a necessidade de se desenvolver mais pesquisas sobre o assunto.

A primeira aplicação de laser de rubi em dentes "in vivo" foi realizada por Goldman (1965) e, sendo ele médico, aplicou o laser em um dente de seu irmão, cirurgião-dentista e, relatou que o paciente não sentiu dor durante o ato operatório e nem depois. Assim, com muita propriedade Brugnera-Júnior & Pinheiro (1998) relataram que o primeiro procedimento odontológico com laser foi realizado por um médico e o primeiro paciente foi um cirurgião-dentista.

A seguir, neste mesmo ano, Taylor et al., evidenciaram que a aplicação de laser de rubi em dentes causava danos térmicos à polpa dental levando-a à destruição de dentinoblastos, bem como à necrose tecidual. O laser de rubi tem comprimento de onda de 6,94 nm.

Hall (1971) realizou um estudo onde comparou a ação do laser de CO2, o eletrocautério e o bisturi em cirurgia de tecido mole em ratos e constatou que as incisões realizados com este tipo de laser curava mais lentamente do que as realizadas com bisturi.

Em 1972, Kantola divulga o uso do laser de CO2 com comprimento de onda de 10 m m (10.600 nm) e comenta que este laser era bem absorvido pelo esmalte dental e que poderia indicar seu uso para selamento de cicatrículas e fissuras e na prevenção de cárie dental. No ano seguinte Kantola et al (1973) observaram que o laser de CO2 aumentava a resistência do esmalte dental à ação de ácidos.

Cumpre informar que Stewart et al (1985) não lograram sucesso com o laser de CO2 no selamento de fissuras de esmalte com fusão de hidroxiapatita e observaram que o laser de CO2 gerava elevação muito alta de temperatura no esmalte.

Atualmente, como demostrou Brugnera-Júnior (1999) o laser de CO2 é muito utilizado e com grande sucesso nas cirurgias de tecidos moles da cavidade bucal.

Yamamoto & Ooya (1974) mostraram que o laser de Nd:YAG induzia mudanças na superfície do esmalte dental sugestiva de fusão e que esta alteração deixava o tecido menos susceptível à desmineralização.

Hibst & Keller (1989) relataram que o uso do laser Er:YAG com comprimento de onda de 2,94 m m proporcionou uma remoção de tecido dentinário e de esmalte de modo efetivo de forma a não produzir fusão da hidroxiapatita e não gerar muito calor. Esse tipo de laser tem grande interação com água e com a hidroxila.

Os laser da família YAG ( - = Neodímio, = Érbio, = Hólmio) possui como meio ativo um cristal transparente de ítro-aluminio conhecido como Garnet cuja fórmula é Y3Al5O12. Este cristal transparente pode estar mergulhado em ions de Neodímio, Érbio e Hólmio, dando os laser de Nd:YAG com comprimento de onda de 1,06 m m, o laser de Er:YAG com comprimento de onda de 2,94 m m e laser de Ho´:YAG com 2,10 m m, respectivamente. O Neodímio, o Érbio e o Hólmio são metais da série lantanídios da cadeia periódica.

A historia de um ramo da ciência não tem fim, apenas relata um pouco do passado para que se tenha uma noção do assunto de modo relacionado com o tempo.

Processos de Absorção e Emissão de Fótons

Para facilitar a visualização dos fenômenos de absorção e emissào de fótons por um átomo, usaremos uma representaçào gráfica. Você deve entender que isso é apenas um truque para simplificar nossa vida. Como todo modelo físico, é apenas uma "representação" do evento real.

Vamos, então, representar um átomo por uma bolinha no centro de uma caixa. Esse átomo imaginário pode ter dois estados, um com menor energia, chamado de estado fundamental, e outro, de maior energia, chamado de estado excitado. Um átomo real pode ter muito mais que apenas dois estados de energia mas, nessa simplificaçào, bastam dois.

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O átomo no estado fundamental será representado por uma bolinha de cor azul e, no estado excitado, de cor vermelha. Tudo fictício, é óbvio, pois átomos não têm cores.

Einstein, na década de 20, identificou três processos através dos quais um átomo pode passar de um estado para o outro. Se o átomo estiver no estado fundamental é necessário fornecer a ele a energia certa para que ele passe ao estado excitado. Essa energia deve ser exatamente a diferença entre as energias dos dois estados.

Uma forma de fornecer essa energia é fazer incidir um feixe de luz sobre o átomo. Se a energia de um fóton constituinte da luz for exatamente igual à diferença de energia entre os dois estados do átomo, ele pode absorver esse fóton e passar do estado fundamental para o estado excitado.

Vamos reformular nossa descrição:

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Um fóton de uma certa energia E incide sobre um átomo que está no estado fundamental. Se a energia E do fóton for exatamente igual à diferença entre a energia do estado excitado, E2, e a energia do estado fundamental, E1, isto é, E = E2 - E1, o átomo pode absorver o fóton e passar do estado de menor para o estado de maior energia.

Se a energia E do fóton for maior ou menor que a diferença E2 - E1, o fóton não pode ser absorvido e passa batido.

A forma "pictórica" de representar o processo de absorção é a seguinte: os dois estados do átomo são desenhados como tracinhos paralelos. O estado fundamental, de energia mais baixa E1, é simbolizado pelo tracinho de baixo. A distância entre os tracinhos simboliza a diferença de energia E2 - E1. Se o átomo estiver no estado fundamental será simbolizado por uma bolinha no tracinho de baixo. É claro que você sabe como simbolizar o átomo no estado excitado.

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O fóton é simbolizado por um traço ondulado com uma seta na ponta. Veja como é representado o processo de absorção de um fóton de energia E = E2 - E1.

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Um átomo excitado, normalmente, não fica muito tempo nesse estado. A não ser que algum fator externo o impeça, depois de um tempo muito curto ele volta ao estado fundamental. Alguns estados excitados, porém, podem ter vida mais longa e são chamados de meta-estáveis. Eles são essenciais para o funcionamento do laser.

Raios Laser

Só existe um processo de absorção de fótons mas existem dois processos de emissão. No processo chamado de emissão espontânea o átomo passa do estado excitado para o estado fundamental sem nenhuma ajuda externa, emitindo um fóton de energia E2 - E1. Mas, existe outro processo de desexcitação, chamado de emissào estimulada, no qual a desexcitação é induzida por um fóton que tem exatamente a energia E = E2 - E1. O fóton estimulador passa incólume, sem perder nem ganhar nenhuma energia, mas provoca a emissão (estimulada) de outro fóton com a mesma energia.

Os dois fótons, estimulador e estimulado, são coerentes, isto é, têm a mesma freqüência, mesma fase e mesma polarização.

Produção de Laser

Como em quase tudo de importante que ocorreu na Física do Século 20, o personagem principal nesse nosso relato sobre fótons é aquele camarada na bicicleta, ali em cima, Albert Einstein. Foi ele quem primeiro sugeriu que um feixe de luz não é apenas uma onda eletromagnética com suas características usuais de freqüência, amplitude e fase. Para explicar certos fenômenos que atormentavam os físicos da época - como o Efeito Fotoelétrico, por exemplo - Einstein propôs que a luz é feita de entidades discretas (isto é, separadas e distintas entre si), com uma energia proporcional à freqüência da onda luminosa: são os fótons.

Segundo Einstein, um feixe de luz monocromático de freqüência f é formado por um enxame de fótons, cada um deles com uma energia E = h f, onde h é uma constante - a constante de Planck.

Como sabemos da ótica, a luz é uma onda. E os fótons? Os fótons são bichinhos ambivalentes. Apresentam características típicas de ondas (freqüência, amplitude, fase, polarização) como também de partículas (momento, localização espacial). Os físicos chamam isso de "dualidade onda-partícula" e garantem, baseados na experiência, que essa dupla personalidade faz parte da natureza da luz.

Raios Laser
Raios Laser

Vamos simbolizar um fóton por uma pequena onda com uma seta indicando sua direção de propagação. Isso só serve, é claro, para ajudar nossa percepção, sem nenhum compromisso sério com a realidade.

O importante, para nosso intento de descrever o laser, é compreender algumas características ondulatórias dos fótons.

Os dois fótons mostrados em (A), por exemplo, têm a mesma freqüência e a mesma fase.

Já os fótons em (B) têm a mesma freqüência mas fases diferentes: a crista de onda de um deles está adiantada em relação à crista do outro.

Em ambos os casos, os fótons têm a mesma polarização, isto é, vibram no mesmo plano - no caso simbólico, o plano da tela de seu computador.

Dois fótons que têm a mesma freqüência, mesma fase e mesma polarização são ditos coerentes. Os fótons representados em (A) são coerentes. Os fótons em (B) não são.

Como veremos mais adiante, a principal característica da luz de um laser é:

Os fótons que constituem o feixe de luz do laser são coerentes.

A idéia básica do funcionamento do laser é utilizar a emissão estimulada para desencadear uma avalanche de fótons coerentes, isto é, todos com a mesma freqüência, fase, polarização e, principalmente, mesma direção de propagação. Como conseguir isso?

Vamos descrever um laser hipotético que tem apenas um átomo com dois níveis. É claro que essa é uma bruta simplificaçào pois um laser real tem 1023 átomos ou mais. Mas, para nosso entendimento, basta um só átomo.

Esse átomo é colocado em um meio transparente entre dois espelhos. O espelho da esquerda reflete toda a luz que recebe e o espelho da direita reflete 99% da luz que incide sobre ele (espelho semi-prateado). Inicialmente, o átomo está em seu estado fundamental, mas um fóton vindo de fora com a energia certa irá excitá-lo (A).

O átomo demora-se nesse estado excitado que é meta-estável (B). Essa característica é essencial para que o laser funcione.

Eventualmente, ele decai emitindo um fóton. Esse fóton, emitido espontaneamente, pode ter qualquer direção e, na maioria das vezes, se perde pelas paredes laterais. Mas, em algum momento, um desses fótons sai na direçào de um dos espelhos. Digamos que, enquanto o fóton se reflete no espelho da direita, outro fóton externo excita o átomo (C).

O fóton refletido vai encontrar o átomo no estado excitado e estimula uma nova desexcitação (D). Só que dessa vez a emissão é estimulada e o fóton resultante sai em fase e na mesma direção que o fóton estimulante - isto é, são coerentes. Enquanto isso, outro fóton externo excita novamente o átomo (E).

Agora, os dois fótons refletidos pelo espelho da esquerda vão estimular uma nova emissão (F). Teremos, então, três fótons coerentes dirigindo-se, em fase, para o espelho da direita (G).

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Com a repetição continuada desses processos o número de fótons coerentes refletindo-se entre os dois espelhos cresce tanto que uma parte deles escapa pelo espelho semi-prateado (1% deles, mais ou menos). Essa luz que escapa é o feixe de nosso laser de um átomo. A luz desse feixe é coerente, o que faz com que o feixe seja estreito, concentrado, monocromático e bastante intenso.

NOTA

Na verdade, um laser só de dois níveis não funcionaria. Mas, para nossos propósitos puramente ilustrativos, essa simplificação serve.

Fonte: www.educar.sc.usp

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