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B. Piropo

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III – LASER, afinal

Nas duas primeiras colunas desta série vimos como é possível fazer átomos emitirem luz, ou seja, liberarem fótons. Nesta, a última da série, veremos como aproveitar este fenômeno da mecânica quântica para gerar um raio laser.

Há diversos tipos de lasers, mas todos eles essencialmente são constituídos por um meio formado por uma substância que é "bombardeada" por um fluxo de energia.

Essa energia pode ser de qualquer tipo, inclusive elétrica ou térmica. Mas a fonte mais comum de energia para gerar raios laser é a luminosa. Mais especificamente, disparos de luz muito intensa em curtos intervalos ("flashes"). Isso "bombeia" energia (no caso, luminosa) para o interior de um meio, ou "cavidade laser", onde o raio será gerado.

Como a substância que forma a cavidade laser recebe um intenso fluxo de fótons (a energia luminosa "bombeada"), é grande a probabilidade que muitos desses fótons se choquem com elétrons do meio, levando-os a um estado de excitação que os fará liberar novos fótons que percorrerão o meio. Basta, agora, tirarmos proveito deste fenômeno.

FIGURA 1: Esquema de um laser de rubi

Um dispositivo capaz de gerar um raio laser deve então ser constituído por uma fonte de energia luminosa, ou "bomba de energia" que emite fótons que atravessarão um meio onde o raio será gerado, a "cavidade laser". A Figura 1 ilustra um desses dispositivos, onde a bomba de energia é formada por uma lâmpada tipo "flash" de grande intensidade e o meio laser por um cilindro ou bastão de rubi.

Rubi é a forma cristalina do óxido de alumínio, ou coríndon. É encontrado na natureza sob a forma de um cristal de coloração vermelha intensa (é uma gema, ou pedra preciosa) mas também pode ser fabricado em laboratório (sintetizado).

O bastão de rubi (cavidade laser) da Figura 1 tem uma de suas extremidades fechadas por um espelho de elevadíssimo coeficiente de reflexão, ou seja, praticamente toda a luz (fótons) que incide sobre ele é refletida de volta para o interior do bastão. Já a outra extremidade também é fechada por um espelho, porém semi-transparente. Esse espelho reflete de volta para a cavidade laser a maior parte da luz que sobre ele incide mas, caso essa luz seja suficientemente intensa (ou seja, carregue energia suficiente), consegue atravessar o espelho.

Pronto, isso é todo o necessário para gerar um raio laser. Vejamos seu funcionamento.

A bomba de energia emite permanentemente disparos de luz de grande intensidade ("flashes") que penetram na cavidade laser. Os fótons gerados por esses disparos, ao atravessar o cristal de coríndon (rubi), chocam-se com alguns dos elétrons das coroas de seus átomos, fazendo-os saltar para uma órbita mais externa. Como isso rompe o equilíbrio energético do átomo, esses elétrons voltam para suas órbitas originais e, ao fazê-lo, emitem novos fótons.

Agora, chegamos a um ponto crucial. Fótons são quanta de energia luminosa, mas nem todo fóton é igual a outro. Estranhou? Pois não devia. Afinal, nem todo raio de luz é igual a outro. Basta ver o que ocorre quando a luz branca atravessa um prisma de vidro (ou, melhor ainda, basta observar o céu após uma chuva, quando gotículas de água ainda pairam na atmosfera e são atravessadas pelo sol, formando o arco-íris): há luz de cores diferentes. E seus fótons são diferentes (carregam quantidades diferentes de energia, ou vibram em diferentes freqüências que correspondem a diferentes comprimentos de onda). E cada comprimento de onda corresponde a uma cor.

Pois bem: o comprimento de onda (ou cor) dos fótons emitidos por elétrons que saltam de uma órbita externa para uma órbita mais interna depende do estado de energia do átomo que os libera. Átomos iguais em idênticos estados de energia liberarão fótons de comprimento de onda exatamente iguais. Ou seja: todos os fótons liberados no interior do bastão de rubi (nossa "cavidade laser") são idênticos e têm a mesma cor.

Mas o que acontece com esses fótons?

ANIMAÇÃO 1: Laser de rubi em funcionamento

Repare na Animação 1. Os fótons disparados pela lâmpada flash (partículas brancas, na animação) atravessam a cavidade laser, chocam-se com elétrons das coroas dos átomos que formam o cristal de coríndon, que por sua vez mudam seu estado energético provocando a geração de novos fótons (partículas avermelhadas, na animação) quando os elétrons retornam às órbitas originais. Esses fótons não conseguem deixar o meio laser porque são refletidos pelos espelhos e permanecem circulando no interior do mesmo, acumulando-se cada vez mais (eles não deixam o interior do bastão atravessando a parede cilíndrica porque, ao serem refletidos pelos espelhos, acabam incidindo na parece cilíndrica em um ângulo tal que são empurrados de volta para o meio devido ao fenômeno da ótica geométrica conhecido por "reflexão total").

Esses mesmos fótons, por sua vez, chocam-se com elétrons dos átomos do cristal de coríndon e repetem o fenômeno acima descrito, emitindo mais fótons idênticos (é essa emissão de novos fótons de mesmo comprimento de onda pelos próprios fótons gerados no interior do meio que se denomina "emissão estimulada", ou seja, o fenômeno se realimenta: um fóton estimula – ou induz – a emissão de outro fóton idêntico). Com isto, aumenta cada vez mais o número de fótons idênticos aprisionados no interior da cavidade laser e refletidos de um lado para o outro pelos espelhos, ou seja, a luz é amplificada (agora você entende o significado da expressão "luz amplificada por emissão estimulada de radiação).

O resultado é um acúmulo de energia de grande magnitude, suficiente para gerar um raio de luz amplificada por emissão estimulada de radiação (ou seja, um raio laser) que atravessa o espelho semi-transparente.

Na prática, uma possível montagem usada para gerar um raio laser experimental é um pouco diferente da representada na Figura 1 e Animação 1.

FIGURA 2: lâmpada flash ("bomba de energia")

A "bomba de energia" é uma lâmpada flash em formato de hélice cilíndrica como a mostrada na Figura 2.

FIGURA 3: Bastão de rubi sintético ("meio laser")

O meio laser é um bastão cilíndrico de rubi sintético como o mostrado na Figura 3.

FIGURA 4: Montagem esquemática do dispositivo

A montagem do dispositivo laser tem o aspecto mostrado no esquema da Figura 4.

FIGURA 5: Dispositivo laser

E, finalmente, o dispositivo montado tem o aspecto da Figura 5.

Este dispositivo gera um "raio laser", cujas características são bastante peculiares.

Sua luz é absolutamente direcional, ou seja, um raio cilíndrico muito fino e altamente concentrado (daí seu uso nas "miras laser" de armas de precisão). É diferente, por exemplo, do feixe de luz emitido por uma lanterna, que mesmo refletido em um espelho parabólico para melhorar o foco, tende a se dispersar transversalmente.

A luz é absolutamente monocromática, ou seja, de uma cor única e pura. Isso é conseqüência do fato de serem absolutamente idênticos os fótons gerados pela emissão estimulada, ou seja, têm todos exatamente o mesmo comprimento de onda (portanto, a mesma cor). E são esses fótons que se acumulam no interior da cavidade laser até atingirem o nível de energia necessário para romper a resistência do espelho semi-transparente e emergir como um feixe único de luz.

A luz é coerente. Isso significa que, além dos comprimentos de onda serem iguais, os fótons vibram de forma uníssona, ou seja, em perfeita sincronia uns com os outros.

O resultado é o conhecido "raio laser".

Com isso cumprimos nosso objetivo: explicar, sem recorrer a linguagem técnica, como funciona o raio laser. Um objetivo limitado que ficou longe de esgotar o assunto, já que existem diversos tipos de laser (de estado sólido, de semicondutores, a gás – estes, capazes de emitir feixes de raio laser com energia tão concentrada que são usados para cortar metais) e utilizações tão distintas quanto a de apontador luminoso em apresentações e uso medicinal como bisturi. Mas todos eles obedecem ao mesmo princípio de funcionamento: amplificação da luz por emissão estimulada de radiação.

O que, como vimos, é mais simples do que parecia à primeira vista.