O termo laser refere-se ao processo e ao instrumento de geração de feixes de luz colimados, monocromáticos e coerentes por meio da amplificação da radiação estimulada e do feedback necessário. Basicamente, a geração de laser requer três elementos: um "ressonador", um "meio de ganho" e uma "fonte de bombeamento".
A. Princípio
O estado de movimento de um átomo pode ser dividido em diferentes níveis de energia, e quando o átomo transita de um nível de alta energia para um nível de baixa energia, ele libera fótons com a energia correspondente (a chamada radiação espontânea). Da mesma forma, quando um fóton incide sobre um sistema de níveis de energia e é absorvido por ele, causa a transição do átomo de um nível de baixa energia para um nível de alta energia (a chamada absorção excitada). Então, alguns dos átomos que transitam para níveis de energia mais altos transitam para níveis de energia mais baixos e emitem fótons (a chamada radiação estimulada). Esses movimentos não ocorrem isoladamente, mas frequentemente em paralelo. Quando criamos uma condição, como o uso de um meio apropriado, um ressonador ou um campo elétrico externo suficiente, a radiação estimulada é amplificada, de modo que seu número seja maior que o da absorção estimulada. Consequentemente, haverá emissão de fótons, resultando em luz laser.
B. Classificação
De acordo com o meio que produz o laser, este pode ser dividido em laser líquido, laser gasoso e laser de estado sólido. Atualmente, o laser semicondutor mais comum é um tipo de laser de estado sólido.
C. Composição
A maioria dos lasers é composta por três partes: sistema de excitação, material laser e ressonador óptico. Os sistemas de excitação são dispositivos que produzem luz, energia elétrica ou química. Atualmente, os principais meios de excitação utilizados são luz, eletricidade ou reação química. Os materiais laser são substâncias capazes de produzir luz laser, como rubis, vidro de berílio, gás néon, semicondutores, corantes orgânicos, etc. O controle da ressonância óptica tem como função aumentar o brilho do laser emitido, ajustar e selecionar o comprimento de onda e a direção do feixe.
D. Aplicação
O laser é amplamente utilizado, principalmente em comunicação por fibra óptica, telemetria a laser, corte a laser, armas a laser, disco a laser e assim por diante.
E. História
Em 1958, os cientistas americanos Xiaoluo e Townes descobriram um fenômeno mágico: ao incidir a luz emitida por uma lâmpada incandescente sobre um cristal de terras raras, as moléculas do cristal emitiam uma luz intensa, brilhante e contínua. Com base nesse fenômeno, eles propuseram o "princípio do laser", ou seja, quando uma substância é excitada por uma energia igual à frequência de oscilação natural de suas moléculas, ela produz essa luz intensa e não dispersiva – o laser. Eles publicaram artigos importantes sobre esse fenômeno.
Após a publicação dos resultados da pesquisa de Sciolo e Townes, cientistas de diversos países propuseram vários esquemas experimentais, mas sem sucesso. Em 15 de maio de 1960, Mayman, um cientista do Laboratório Hughes na Califórnia, anunciou ter obtido um laser com um comprimento de onda de 0,6943 micrômetros, o primeiro laser já obtido pelo ser humano, tornando-se assim o primeiro cientista do mundo a introduzir lasers em aplicações práticas.
Em 7 de julho de 1960, Mayman anunciou o nascimento do primeiro laser do mundo. O projeto de Mayman consistia em usar um tubo de flash de alta intensidade para estimular átomos de cromo em um cristal de rubi, produzindo assim uma coluna de luz vermelha muito fina e concentrada que, quando disparada em um determinado ponto, podia atingir uma temperatura superior à da superfície do Sol.
O cientista soviético H.G. Basov inventou o laser semicondutor em 1960. A estrutura de um laser semicondutor é geralmente composta por uma camada P, uma camada N e uma camada ativa, que formam uma dupla heterojunção. Suas características são: tamanho reduzido, alta eficiência de acoplamento, alta velocidade de resposta, comprimento de onda e tamanho compatíveis com o tamanho da fibra óptica, possibilidade de modulação direta e boa coerência.
Seis, algumas das principais aplicações do laser.
F. Comunicação a laser
O uso da luz para transmitir informações é muito comum hoje em dia. Por exemplo, navios usam luzes para se comunicar, e semáforos usam as cores vermelha, amarela e verde. Mas todas essas formas de transmitir informações usando luz comum têm alcance limitado. Se você quiser transmitir informações diretamente para locais distantes por meio da luz, não poderá usar luz comum, mas apenas lasers.
Então, como transmitir o laser? Sabemos que a eletricidade pode ser conduzida por fios de cobre, mas a luz não pode ser conduzida por fios de metal comuns. Para isso, os cientistas desenvolveram um filamento capaz de transmitir luz, chamado fibra óptica. A fibra óptica é feita de materiais de vidro especiais, com diâmetro menor que um fio de cabelo humano, geralmente entre 50 e 150 micrômetros, e muito flexível.
Na verdade, o núcleo interno da fibra é um vidro óptico transparente de alto índice de refração, e o revestimento externo é feito de vidro ou plástico de baixo índice de refração. Essa estrutura, por um lado, permite que a luz se refrate ao longo do núcleo interno, assim como a água flui em um cano e a eletricidade é transmitida em um fio, mesmo que milhares de voltas e torções não a perturbem. Por outro lado, o revestimento de baixo índice de refração impede que a luz vaze, assim como um cano de água não vaza e a camada isolante de um fio não conduz eletricidade.
O surgimento da fibra óptica resolveu o problema da transmissão de luz, mas isso não significa que, com ela, qualquer luz possa ser transmitida a longas distâncias. Somente lasers de alta luminosidade, cor pura e boa diretividade são as fontes de luz ideais para transmitir informações, entrando por uma extremidade da fibra, praticamente sem perdas, e saindo pela outra. Portanto, a comunicação óptica é essencialmente comunicação a laser, que possui vantagens como grande capacidade, alta qualidade, ampla disponibilidade de materiais, forte confidencialidade e durabilidade, sendo aclamada pelos cientistas como uma revolução no campo das comunicações e uma das conquistas mais brilhantes da revolução tecnológica.
Data da publicação: 29/06/2023