Luz Laser

Descrição da imagem: A luz laser, descrita desde 1917 por Albert Einstein (1879-1955), é azul, verde ou vermelha, ou seja, composta de uma única cor. Todas as outras cores são misturas sutis de cores. Em 1960, o físico americano Theodore Maiman (1927-2007) obteve pela primeira vez uma emissão laser por meio de um cristal de rubi. Fonte da imagem: Astronoo IA.

Luz Azul, Verde ou Vermelha

A luz natural ou artificial (luz do dia, lâmpada incandescente, LED, etc.) é uma luz composta por uma superposição de todas as cores, ou seja, uma onda eletromagnética caótica que se propaga em todas as direções. Não é uma onda com um comprimento regular e coerente, mas sim um ondular desordenado na superfície da água.

A luz laser (Amplificação de Luz por Emissão Estimulada de Radiação) é uma luz natural despojada de todas as cores, exceto uma.

Embora seja possível fabricar lasers de várias cores e que vão em várias direções ao mesmo tempo, o laser mais comum e eficiente é o laser monocromático e unidirecional. A luz laser é azul, verde ou vermelha, ou seja, composta de uma única cor (cor primária). Todas as outras cores são misturas de cores (cores secundárias). Ex.: uma cenoura absorve o azul, portanto sua cor é uma mistura sutil de todas as cores, exceto o azul.

É a duração do ciclo óptico (período e frequência) que determina a cor da radiação laser. A luz laser é ordenada e pode se propagar em linha reta sem deformação sobre grandes distâncias, desde que seja amplificada.

A imagem que se pode reter de uma luz laser em comparação com uma luz natural é a de um regimento que marcha em passo em contraste com uma multidão que se move de maneira desordenada.

Luz Estimulada

A luz estimulada é uma amplificação obtida pela emissão de dois fótons a partir da energia de um único fóton. Assim, a luz laser será estimulada de maneira a ser facilmente manipulável.

Graças a espelhos, pode ser propagada onde se quiser, tão longe quanto se quiser, e a potência pode ser aumentada conforme desejado. Exemplos notáveis são as estrelas-guia laser usadas para ajustar observações astronômicas ou o laser megajoule mais potente do mundo, para testar a fusão nuclear.

N.B.: De acordo com as equações de James Clerk Maxwell (1831-1879), a luz é uma onda eletromagnética transversal auto-propagante com componentes elétricos e magnéticos onde os campos elétricos e magnéticos oscilam em ângulo reto entre si e se propagam perpendicularmente à direção em que se movem indefinidamente, a menos que sejam absorvidos pela matéria intermediária. Em outras palavras, cada tipo de campo - elétrico e magnético - gera o outro para propagar toda a estrutura composta no espaço vazio à velocidade finita da luz.

Usos da Luz Laser

A luz laser não é usada apenas para decorar salas de espetáculos. Os usos dos lasers são numerosos, variando de diodos de potência muito baixa (0.000001 watt) presentes nos leitores ópticos até o laser megajoule (10¹⁵ watts) projetado para experimentar a fusão nuclear controlada.

A luz laser invadiu nosso cotidiano. Encontra-se nos supermercados (leitura de códigos de barras), na informática (leitura de DVD, Blu-ray, impressora laser), no transporte de informações (fibra óptica), nas medições de precisão em física (distância Terra/Lua, fotografia de átomos), na indústria (telêmetro laser, radar, corte a laser, soldagem, gravação), na medicina (cirurgia ocular, dermatologia, bisturi a laser), na defesa (simulação de armas nucleares), na pesquisa (fusão controlada do plasma), na astronomia (telemetria laser em satélites, óptica adaptativa com estrela-guia laser).

Também produzimos lasers coerentes invisíveis a partir de micro-ondas (fora do espectro visível), conhecidos como máseres. Esses dispositivos são amplamente utilizados em vários campos avançados, como interferometria, metrologia e relógios atômicos. Os máseres desempenham um papel crucial nessas aplicações devido à sua capacidade de gerar ondas eletromagnéticas extremamente estáveis e precisas, essenciais para medições de alta precisão e aplicações temporais avançadas.

Potência do Laser

Para aumentar a potência, também produzimos lasers pulsados.

Esses lasers emitem luz de maneira intermitente, permitindo observar fenômenos físicos extremamente rápidos. Ao emitir flashes de luz ultra-breves, é possível capturar imagens ultra-breves de objetos em movimento rápido. O laser femtossegundo, por exemplo, funciona como um estroboscópio, permitindo tirar fotografias instantâneas com um tempo de exposição extremamente curto. Para isso, é necessário iluminar muito intensamente.

A vantagem dos lasers pulsados reside em sua capacidade de concentrar a luz e aumentar sua potência em um período extremamente curto. Quanto mais curta for a duração do flash, maior será a potência.

Em um atossegundo (10^-18 segundo), a luz percorre o diâmetro de um átomo, enquanto em um segundo percorre a distância Terra/Lua. Essa duração ultra-curta é adaptada aos movimentos das moléculas na matéria e até aos movimentos dos elétrons nos átomos. Com o laser femtossegundo, podem ser alcançadas potências de pico elevadas (até 100 joules por pulso) como em grandes sistemas petawatt. Diversas aplicações utilizam todas ou parte dessas propriedades únicas da luz (pesquisa, indústria, campo biomédico). A partir do laser atossegundo, é possível fotografar as nuvens eletrônicas ao redor de seus núcleos atômicos. Ao moldar pulsos de luz tanto ultra-intensos quanto ultra-curtos, pode-se penetrar no coração da matéria.

Nuvem Eletrônica Capturada por Laser Atossegundo

Nesta sequência de imagens, pode-se ver a estrutura característica da orbital da molécula de nitrogênio N2. A primeira imagem é a imagem calculada, a segunda é a imagem reconstruída experimentalmente e a terceira imagem é reconstruída teoricamente.

Relação entre a Potência e a Duração do Flash Laser

Relação entre a potência e a duração do flash dos lasers pulsados.

E=Pt ou Potência = \(\frac{\text{Energia}}{\text{Tempo}}\)

Se concentrarmos 1 joule em 1 segundo, obtemos 1 Watt, 1 J em 1 ms resulta em 1 quilowatt, 1 J em 1 µs resulta em 1 megawatt, etc.