Conhecido como raio da morte, o LASER, na realidade, apresenta uma infinidade de aplicações pacíficas e no campo das comunicações se mostra altamente promissor. Podemos dizer que na eletrônica do futuro ao se falar em comunicações a palavra chave será ”LASER" tantas são suas aplicações neste campo. Se você não sabe o que é o LASER, veja neste artigo o que ele reserva para a eletrônica do futuro.
A palavra LASER vem de “Iight amplification by stimulated emissíon of radiation", o que traduzido para o português nos leva a “amplificação de luz pela emissão estimulada de radiação". Em suma, o que o laser emite é luz, mas luz que se apresenta de uma forma pouco comum, uma forma que não é conseguida por lâmpadas comuns, chama ou mesmo pelo sol..
Temos uma luz denominada coerente, uma luz com propriedades fantásticas que o leitor melhor poderá entender quando analisarmos sua natureza.
A NATUREZA DA LUZ
A luz produzida por uma lâmpada comum, uma chama ou pelo sol é constituída por ondas eletromagnéticas de curtíssimo comprimento de onda e, portanto, de frequência muito elevada.
Nossos olhos podem “captar" estas ondas e a distinção que fazemos das cores se deve à capacidade que temos de diferenciar as frequências de uma certa faixa dessas ondas, a faixa que podemos ver e que corresponde, portanto, ao espectro visível.
Quando um corpo emite luz em que temos diversas frequências misturadas, este corpo nos aparece com sendo branco. Uma lâmpada comum emite luz branca porque ao ser aquecido, seu filamento produz comprimentos de onda de uma faixa muito larga (figura 1).
Veja então que a natureza física da luz é a mesma das ondas de rádio comuns, das ondas de TV ou FM. Como estas ondas, a luz se propaga no vácuo a uma velocidade de aproximadamente 300 000 quilômetros por segundo.
Colocando todos os tipos de ondas eletromagnéticas conhecidas num gráfico obtemos um espectro: o espectro eletromagnético. Na parte inferior deste espectro, em que temos os maiores comprimentos de onda e, portanto, as menores frequências temos as ondas de rádio comuns. Acima temos as micro-ondas e logo depois, os raios infravermelhos.
Acima dos infravermelhos temos a luz visível, a qual é seguida pela radiação ultravioleta e pelos raios X. Na parte superior do espectro temos os raios gama e finalmente os raios cósmicos cuja frequência e energia se estendem até limites desconhecidos. (figura 2)
O Laser produz ondas ou luz na faixa que se estende do infravermelho ao ultravioleta, e como suas ondas são eletromagnéticas, em princípio podemos dizer que sua utilização nas comunicações depende apenas de sua frequência.
Suas ondas têm realmente a mesma natureza das ondas comuns de rádio e podem ser usadas com as mesmas finalidades.
Mas por que uma lâmpada comum não pode ser usada como uma estação emissora? Isso acontece porque uma lâmpada comum não emite ondas de uma única frequência.
Sua luz representa realmente um “ruído" em que temos sinais de uma ampla faixa de frequências misturadas.
Com o laser tudo é diferente.
Analisando de que modo um corpo pode emitir luz chegaremos ao funcionamento diferente do laser.
Quando aquecemos uma barra de metal ao fogo, seus átomos entram em rápida vibração fazendo com que seus elétrons saltem de suas órbitas.
Quando um elétron salta, ele absorve energia, e quando volta à sua posição normal, ele devolve esta energia na forma de uma radiação. Conforme o salto que o elétron dá, ele devolve uma quantidade bem definida de energia, a qual corresponde a um comprimento de onda.
Se o salto for pequeno, a frequência e a energia da radiação emitida será baixa, teremos radiação infravermelha, por exemplo. Se o salto for grande, a frequência e a energia serão mais altas, e a radiação emitida será visível, por exemplo, (figura 3).
Quando o metal está numa temperatura relativamente baixa, os elétrons dão saltos de energia que se concentram numa faixa de frequência mais baixa, e ele tende a brilhar com luz avermelhada.
Se o aquecermos mais, os saltos poderão ser maiores concentrando energia na parte central do espectro visível, e ele brilhará com luz branca.
Se o aquecimento da barra de metal for maior ainda, a maior parte dos saltos dos elétrons ocorrerá de modo a emitir luz da parte superior do espectro visível e a cor que teremos tenderá para o azul. Na figura 4 mostramos um gráfico em que temos a distribuição das frequências emitidas por um corpo aquecido em função de sua temperatura.
Veja então que, ao salto do elétron de um nível de energia para outro, podemos associar uma quantidade bem definida de energia e um comprimento de onda para a luz emitida.
A energia emitida nestas condições se faz pelo que denominamos “fóton". O salto de um elétron produz então um fóton que será uma espécie de “átomo" de luz. (figura 5)
Num pedaço de metal aquecido, a cor branca da luz produzida é devida aos bilhões e bilhões de saltos dados pelos elétrons cada qual produzindo um fóton de uma determinada frequência na faixa que depende de sua temperatura, conforme a figura 4 mostra.
Mas, se num corpo aquecido como uma barra de metal, a luz emitida se distribui de maneira desordenada numa faixa do espectro, ou seja, não há cor definida, a luz é acromática, podemos forçar os átomos a emitir luz de somente determinados comprimentos de onda.
Certos materiais, quando excitados, só permitem que seus elétrons saltem entre níveis de energia bem definidos. Cada espécie de átomo possui seus níveis de energia para os elétrons e portanto quando estes são excitados convenientemente, a emissão de luz se faz de maneira determinada (figura 6).
É baseado neste fato que o astrônomo pode, ao analisar a luz de uma estrela distante, produzida por átomos excitados, saber exatamente qual foi o tipo ou tipos de átomos e, portanto, determinar a composição desta estrela. A luz emitida por um átomo excitado é uma espécie de impressão digital deste átomo (figura 7).
Quando aplicamos uma diferença de potencial da ordem de 80 V numa lâmpada neon, o gás em seu interior se ioniza. O resultado desta excitação elétrica é que há a emissão de luz de um comprimento de onda determinado correspondente à cor alaranjada. Temos então a emissão de luz monocromática (figura 8).
Em suma, as fontes de luz comuns como as lâmpadas, um pedaço de metal aquecido ou o próprio sol não são capazes de se comportar como emissores semelhantes aos usados para as radiocomunicações.
São verdadeiros emissores de ruídos, já que as suas frequências se espalham numa ampla faixa e, ainda por cima, sem a ajuda de recursos ópticos, a propagação da luz se faz em todas as direções.
Temos então fontes incoerentes de luz, o que não acontece com o laser.
Se bem que somente o laser ideal possa ser considerado uma fonte perfeitamente coerente de luz, os lasers comuns se aproximam bastante disso na prática. A luz coerente apresenta diversas propriedades interessantes que se manifestam então no laser.
a) Luz monocromática:
Os lasers são construídos de tal modo que ocorrem saltos bem definidos dos elétrons no momento de entregar sua energia, o que significa que somente uma frequência de luz é produzida.
Temos então a emissão de luz de uma única cor, numa faixa bem estreita do espectro e com toda a energia disponível se concentrando nela (figura 9). Em lugar do transmissor de ruído, que espalha toda sua energia numa ampla faixa, temos o transmissor "bem sintonizado" concentrando sua energia numa única frequência.
Qual a vantagem disso?
Se usarmos uma lâmpada comum num transmissor, por exemplo, tendo o receptor como uma fotocélula teremos muitos problemas para fazer um sistema de muitos canais (figura 10).
Se duas lâmpadas forem colocadas na mesma linha visual do receptor, como elas ocupam todo o espectro transmitido, a fotocélula não terá meios de separar os seus sinais que então se misturarão!
Uma faixa de 50 milhões de MHz até 5 bilhões de MHz ocupada apenas por uma estação é sem dúvida um desperdício.
No caso do laser, temos a emissão de luz numa faixa muito estreita, o que nos permite usar com facilidade dispositivos ópticos para a separação de frequências, conforme mostra a figura 11.
Uma emissão de laser pode ter uma faixa de onda tão estreita como 2 nm (nanômetros), o que significa que somente na largura do espectro visível cabem 3 800 000 canais de TV de 8 MHz de largura ou então 6 000 000 000 canais de voz de 5 kHz de largura!
Com um único sistema transmissor e receptor podemos fazer a emissão simultânea de todas estas informações sem o perigo de mistura!
E, é claro que temos que considerar que os lasers também podem ser usados na faixa do infravermelho e do ultravioleta que são igualmente amplas.
b) Diretividade:
Esta é uma outra característica importante da luz emitida pelo laser.
Enquanto uma luz comum emite luz em todas as direções, e mesmo usando equipamento óptico bem elaborado não podemos obter feixes muito estreitos, o laser permite conseguir feixes extremamente direcionais.
Um feixe de luz com uma abertura de 1mm na saída do laser abre pouco mais do que alguns centímetros a quilômetros de distância do local da emissão (figura 12).
Isso significa que podemos “pegar" praticamente toda a energia transmitida a quilômetros de distância usando apenas um refletor ou um equipamento óptico apropriado de pequenas dimensões.
Pensa-se em usar este comportamento do laser na transmissão de energia de estações no espaço para a terra, no futuro (figura 13).
c) Concentração de energia:
Uma lâmpada comum distribui sua energia por uma ampla faixa de frequências, conforme vimos. Se tomarmos uma pequena amostra do espectro desta lâmpada, correspondente a uma largura de faixa muito estreita, a quantidade de energia conseguida nesta faixa será muito pequena.
Se esta energia for usada numa transmissão de mensagem sua eficiência será muito pequena.
Como o laser concentra toda a energia praticamente numa única frequência, seu rendimento nesta frequência é tremendamente maior. (figura 14)
A quantidade de energia obtida por uma fonte de luz pode ser dada em termos de sua temperatura.
Calcula-se que para se obter, numa faixa de frequências correspondente à do laser, a mesma quantidade de energia, seria preciso aquecer um corpo a uma temperatura superior a 1 bilhão de graus!
d) Fase:
Temos finalmente a possibilidade de obter com laser, luz em fase. A produção da luz sob condições de uma câmara ressonante, em que se obtém uma onda estacionária, faz com que a emissão de um laser ocorra em fase, o que não acontece com uma fonte comum, mesmo que monocromática, como uma lâmpada neon ou um LED, em que a radiação de mesmo comprimento de onda aparece desordenada em fase. (figura 15)
O primeiro Laser foi construído em 1960 e operado por cientistas da Hughes Aircraft Company. Seu coração era um bastão de rubi (Al3O2) com características especiais de montagem (figura 16).
Ao ser estimulado por uma fonte de luz externa, no caso um potente tubo de flash, ocorria uma forte absorção de energia pelos átomos do material.
Esta absorção era responsável por um salto de nível de energia dos elétrons.
Situados na condição de repouso, no nível 0 os elétrons saltavam para o nível 1, absorvendo com isso uma quantidade de energia correspondente à da luz verde. (figura 17)
Pouco depois, os elétrons saltavam para um nível mais baixo, marcado por 2 na figura 17, entregando parte da energia absorvida sob a forma de radiação infravermelha.
Esta entrega de energia era feita de maneira algo desordenada.
Com uma quantidade de elétrons no nível 2 maior do que a quantidade no nível 0 tem-se uma "inversão de população"
Quando então um dos elétrons salta para o nível0 O naturalmente, entregando sua energia, na forma de um fóton de luz vermelha, este fóton pode facilmente encontrar outro elétron no nível 2 também, forçando-o a entregar sua energia.
Temos então uma espécie de reação em cadeia em que cada fóton liberado pode forçar o seguinte, ocorrendo então uma espécie de "explosão" luminosa no interior do rubi.
Para que o processo se mantenha no material, antes da liberação de toda a energia absorvida, o rubi é moldado de modo a formar uma ”câmara ressonante".
Nos seus extremos existem dois espelhamentos paralelos, um mais fino e outro mais grosso, forçando assim o aparecimento de uma onda estacionária. (figura 18)
Somente com toda a energia liberada, a onda estacionária com toda a força "atravessa" o espelhamento mais fino emergindo do rubi na forma de um feixe coerente, monocromático, perfeitamente paralelo.
É o LASER. Veja que, ao passar pelo espelhamento, a luz não estraga nada e um novo pulso pode ser produzido por um novo flash das lâmpadas.
O rubi permite obter uma radiação de comprimento de onda igual a 6 943 A (1 A =1 angstrom que equivale a 10'° m ou a milionésima parte do milímetro), correspondente à cor vermelha.
Além dos materiais sólidos, líquidos e gases podem ser empregados na fabricação de lasers.
Na figura 19 temos a estrutura de um LASER de CO2 (gás carbônico) com sua fonte de alimentação.
Este LASER pode emitir uma potência de 100 W na forma pulsante e pesquisas têm permitido obter potências da ordem de 100 000 W.
Este tipo de LASER trabalha na faixa média do infravermelho com um comprimento de onda de 10 600 A.
Para a eletrônica, em especial, os LASERs excitados por corrente, feitos de materiais semicondutores, apresentam enormes possibilidades de aplicações práticas.
São os LASERs semicondutores, que já se encontram comercialmente disponíveis, como o de arseneto de gálio (GaAs), o mesmo material usado na fabricação dos LEDs.
Na verdade, os LEDs são fontes de luz monocromáticas, se bem que esta não seja nem monocromática e nem emitida em fase , mas estes componentes não estão muito longe dos modernos LASERs...
Uma estrutura semicondutora pode emitir luz coerente desde que excitada por uma corrente suficientemente intensa para produzir a inversão de população. Na figura 20 temos um LASER deste tipo, observando-se que o próprio material semicondutor tem suas faces espelhadas de forma a conseguir-se a cavidade óptica ressonante.
Na mesma figura mostramos um LASER comercial de baixo custo que opera segundo este princípio e que emite radiação na faixa do infravermelho.
O funcionamento deste tipo de LASER é mostrado na figura 21.
Se tivermos no material semicondutor uma corrente muito baixa, poucos elétrons serão liberados e a emissão de luz se faz de maneira desordenada.
Dizemos que ocorre então uma emissão espontânea e o dispositivo funciona como um LED comum.
Se a intensidade de corrente for suficientemente alta, ocorre a inversão de população com um maior número de átomos excitados do que em estado normal.
Os fótons liberados pelos átomos excitados forçam então a liberação de novos fótons nos choques com outros átomos excitados, produzindo-se o efeito LASER.
Para que o efeito LASER seja conseguido nestes semicondutores são necessárias correntes muito intensas. Estas correntes são da ordem de 100 000 A/cm2, o que para o caso de um LASER comum, de pequenas dimensões, já significa uma corrente tão forte como 50 A.
O LASER de arseneto de gálio dopado com alumínio, comum no mercado, opera na faixa dos 7 000 aos 9 100 ,correspondendo à luz infravermelha.
Pulsos de mais de 50 W podem ser conseguidos nestes dispositivos semicondutores.
APLICAÇÕES
O LASER pode ser aplicado numa variedade enorme de dispositivos, conforme citamos no início do artigo.
Nas comunicações, o LASER admite a possibilidade de transmissão simultânea de milhares de canais de TV ou milhões de canais telefônicos por um único feixe. Este feixe pode ser enviado de um local a outro diretamente pelo espaço, ou então, em locais em que a neblina ou poluição possam dificultar sua propagação, através de fibra óptica.
A grande quantidade de energia que pode ser transportada por um feixe de LASER e a estreiteza de seu feixe permitem que se realize um fato há muito desejado pelo homem: a transmissão de energia da fonte geradora à fonte consumidora sem a necessidade de meio material.
Na figura 22 mostramos um interessante projeto para o futuro.
Num satélite em órbita em torno da terra existe uma superfície de muitos quilômetros quadrados recoberta com geradores solares.
A energia destes geradores é levada par meio de um feixe de raios LASER, à terra, onde numa estação é convertida em eletricidade para consumo.
O fino feixe de LASER carregando enorme quantidade de energia pode evaporar o mais duro dos metais fazendo cortes e furos perfeitamente retos com precisão incrível.
Máquinas industriais de cortar e de furar já usam o feixe de LASER.
Na medicina, o feixe de LASER, que se comporta exatamente como a luz pode ser usado como ferramenta de corte em delicadas operações.
Sendo refletido por áreas claras e absorvido por áreas escuras, o LASER pode, por exemplo, ser usado na cauterização de vasos sanguíneos na vista, já que nas áreas brancas, adjacentes ao vaso que deve ser cauterizado ele simplesmente é refletido de modo disperso.
Não sabemos o que nos revela para o futuro, em todos os setores da atividade humana, o LASER. Quem sabe em pouco tempo, LASER domésticos poderão ser usados como ferramentas, na detecção de intrusos, na fotografia, e em muitas outras aplicações que agora só estão nas pranchetas dos projetistas.
