Aplicações dos Lasers

LASERS, GUERRA NAS ESTRELAS, FANTÁSTICAS MÁQUINAS LUMINOSAS são expressões que fazem as crianças, os cientistas e os engenheiros sonharem. Por muitos anos, desde que foram inventados em 1958, os lasers foram chamados de "uma solução em busca de um problema" Hoje, mais de 35 anos depois, os lasers já resolveram muitos problemas. Neste ensaio, vou falar apenas de algumas das milhares de aplicações dos lasers.

A luz emitida pelos lasers tem uma propriedade muito importante: a coerência. Em outras palavras, a luz produzida pelos lasers é uma onda eletromagnética com uma freqüência e uma fase bem definidas.Algumas aplicações dos lasers estão relacionadas a essa coerência. Assim. por exemplo, luz com uma fase bem definida pode ser colimada através de um telescópio para aplicações como rastreamento de objetos e levantamentos topográficos, ou pode ser focalizada em uma pequena região do espaço, o que permite obter uma grande intensidade luminosa. Além disso, a possibilidade de controlar não só a intensidade da luz mas também a sua fase proporciona uma nova fonte de informações. A maior parte das aplicações descritas neste ensaio envolve essas propriedades dos lasers. Aplicações específicas dependem das características dos lasers disponíveis, que serão descritas a seguir.

Tipos de Laser

Para poder emitir luz coerente, um laser deve dispor de um meio amplificador e de espelhos de realimentação. A Tabela 1 mostra as características de alguns dos muitos lasers que foram desenvolvidos até hoje. O meio amplificador pode ser um gás, um líquido (laser de corante), um cristal isolante (laser de rubi), um cristal semicondutor (laser de GaAs) ou um sólido amorfo (laser de vidro). Até mesmo excímeros ("moléculas" de halogenetos de gases raros, como o ArF) e gases no espaço sideral podem exibir o efeito laser. O comprimento de onda da luz produzida pelos lasers vai desde o ultravioleta distante (< 200 nm) até o infravermelho distante (>200 µm). Os lasers podem funcionar de forma contínua ou pulsada. Os lasers mais baratos (HeNe, GaAs) têm uma potência de alguns miliwatts. ao passo que a potência de pico dos lasers pulsados pode chegar a muitos gigawatts. Outras características, como eficiência e durabilidade, podem ser importantes para aplicações específicas. Um laser pode ser excitado por descargas elétricas (lasers a gás), correntes elétricas (lasers semicondutores), lampejos luminosos (lasers de cristal e de vidro), outros lasers (lasers de corante) ou reações químicas. As Figs. 1 a 4 mostram os princípios de funcionamento de quatro tipos comuns de laser. As características dos lasers podem variar bastante: no preço. de alguns dólares até milhões de dólares; na potência, de microwatts até gigawatts; no tamanho, de dezenas de milímetros até dezenas de metros; na largura de linha (df/f), de 10^-1 a10^-15; na duração dos pulsos, de 10^-14 s até uma onda contínua. Apenas alguns lasers chegaram a ser vendidos comercialmente. Até poucos anos atrás, o laser a gás de HeNe era o único laser "barato" capaz de produzir luz visível. Hoje em dia, ele está sendo substituído pelos lasers semicondutores (baratos, eficientes e pequenos), usados aos milhões nas impressoras laser, CD players e nas comunicações por fibra ótica. O laser de CO₂, cujo comprimento de onda está na faixa ao infravermelho, é o laser de alta potência mais eficiente sendo usado em aplicações industriais como o corte de chapas. Os lasers de argônio, de excímero e de Nd:YAG são usados na medicina.

Cortes, Cirurgias e Processamento de Materiais

A coerência da luz produzida por um laser permite que ela seja focalizada em uma região de dimensões da ordem de um comprimento de onda (10 4 cm). No caso de um laser de 1 W, por exemplo, é possível obter uma intensidade luminosa de 10⁸ W /cm2. Como aluna de pós-graduação em 1963, logo depois que o laser de rubi foi inventado, demonstrei que um laser de rubi pulsado com uma potência de pico de 10⁸ W pode produzir uma intensidade luminosa de 10^-16 W/cm2, o que permite fazer furos em lâminas de barbear e ionizar o ar! Essa alta intensidade torna os lasers perigosos. Um laser de HeNe não focalizado com uma intensidade de 1 mW tem um brilho igual ao do Sol em um dia claro (0,1 W/cm2) e pode danificar a retina de alguém que olhe diretamente para o feixe. Os lasers de alta potência são ainda mais perigosos. Descobri por experiência própria que um laser de argônio não focalizado de 1 W com uma intensidade de 100W /cm2, pode fazer um furo num vestido. No Centro para Estudos do Laser, os alunos têm que obedecer a rígidas normas de segurança.

A alta intensidade da luz gerada pelos lasers tem sido aproveitada em várias aplicações no campo da medicina. Atualmente, os lasers são usados de forma rotineira para tratar o descolamento de retina. O comediante Bob Hope se submeteu a esse tipo de cirurgia. Muitos médicos preferem usar lasers em vez de bisturis convencionais porque a luz não pode infeccionar o corte e o calor do laser ajuda a evitar hemorragias, cauterizando os vasos que foram seccionados. Usando uma fibra ótica para conduzir a luz até o estômago, os médicos podem cauterizar com lasers úlceras perfuradas. Os lasers também são usados para remover manchas de nascença e para tratar alguns casos de câncer de pele. Na verdade, os lasers já salvaram um número incontável devidas.

Os lasers de CO, focalizados são usados em muitas aplicações industriais que requerem uma fonte concentrada de calor. Um bom exemplo é a soldagem dos cabos de panelas. Nesse caso, a importância do laser está no fato de que a panela é feita de cobre. um metal que possui alta condutividade térmica (o que ajuda a distribuir o calor rapidamente. cozinhando o alimento por igual), ao passo que o cabo é feito de aço inoxidável, que apresenta uma baixa condutividade térmica (para não cozinhar o cozinheiro). Os processos convencionais de soldagem não funcionam muito bem quando existe uma grande diferença na condutividade térmica dos metais a serem soldados. O intenso calor produzido pelo laser reduz drasticamente o tempo de soldagem, tornando irrelevante a diferença das condutividades térmicas.

	Fig.1: Os lasers a gás são excitados por uma descarga elétrica no interior de um tudo com gás muito puro. Os que operam na faixa da luz visível funcionam com argônio, criptônio ou uma mistura da hélio e neônio; os mais eficientes são os de CO2  que operam na faixa do infravermelho. A cavidade ótica, delimitada pelos espelhos, pode ter de 5cm a 5m de comprimento e os espelhos podem ser montados externamente ao tubo, como na ilustração, ou ser instalados diretamente nas extremidades do tubo com gás.
	Fig. 2: Os lasers semi-condutores usam uma corrente elétrica para produzir luz em uma junção p-n (interface entre um semicondutor tipo p e um semicondutor tipo n). Duas camadas do semicondutor Ga0,7 Al0,3 As confinam a luz e os portadores de carga elétrica a uma camada de GaAs (camada laser), formando uma heteroestrutura dupla. Os espelhos neste tipo de laser são simplesmente duas superfícies do cristal de GaAs, afastadas de uma distância da ordem de 200µm. Graças ao pequeno tamanho, alta durabilidade e baixo custo, os lasers semicondutores hoje em dia são o tipo mais popular de laser.
	Fig.3: Os lasers de estado sólido são feitos de cristais e vidros isolantes. Esses lasers são excitados por lâmpadas. O laser de rubi (Cr:AL2 O3 ), que foi o primeiro laser a ser construído, deu lugar a lasers sólidos mais eficientes à base de neodímio, como os lasers de Nd:YAG (granada de ítrio e alumínio) e Nd:vidro. Os espelhos de alta reflexão são constituídos de muitas camadas dielétricas, com índices de refração alternadamente altos e baixos.
	Fig.4: Os lasers de corante utilizam líquidos circulantes que são excitados por lâmpadas ou outros lasers. Um dos mais usados é o de Rh6G (rodamina 6G), um material altamente fluorescente que foi usado pelos primeiros astronautas para marcar a posição de suas cápsulas quando pousavam no oceano. A maior vantagem dos lasers de corante é que sua freqüência pode ser variada continuamente, bastando fazer girar um elemento ótico (como uma rede de difração) de modo a selecionar apenas a freqüência desejada. Esses lasers também são capazes de gerar pulsos extremamente curtos.

A associação dos lasers a computadores tomou possível a introdução de métodos automáticos de fabricação, como. por exemplo, o corte automático de peças de tecido. Os tamanhos das roupas são programados em um computador que controla a posição de um espelho, dirigindo a luz do laser para a peça a ser cortada.

Os lasers também fornecem calor localizado para tratar superfícies. O método é usado. por exemplo, para endurecer a superfície do eixo de excêntricos usado nos automóveis. Se o eixo inteiro fosse aquecido em um forno, haveria uma deformação inevitável. o que poderia prejudicar o funcionamento da peça. Usando um laser. é possível aquecer apenas a superfície, mantendo o resto da peça relativamente frio.

Feixes de luz de alta precisão. produzidos por lasers, são usados em vários estágios de fabricação dos circuitos integrados e outros dispositivos eletrônicos. A resistência final de alguns resistores é ajustada com o auxílio de um laser, que remove pequenas quantidades do material utilizado. Um circuito integrado genérico pode ser personalizado usando-se um laser de Nd:YAG para remover (por vaporização) algumas das ligações metálicas entre os componentes.

Os Estados Unidos começaram a desenvolver lasers com potência suficiente para derrubar mísseis como parte do projeto "Guerra nas Estrelas". O problema consiste em projetar lasers suficientemente compactos para serem colocados a bordo de satélites e suficientemente precisos para serem capazes de derrubar um míssil em vôo. A idéia é interessante, já que a luz viaja mais depressa do que os mísseis, mas os problemas práticos são de tal ordem que muitos especialistas se mostram céticos quanto aos resultados deste programa.

Fotônica: o Papel dos Lasers na Tecnologia da Informação

Os lasers se tornaram tão importantes para a transmissão, o armazenamento, a detecção e o processamento da informação que esta tecnologia recebeu um nome: fotônica. A luz dos lasers pode ser usada para transmitir informações. Um exemplo é a leitora de código de barras dos supermercados, na qual o código impresso na embalagem dos produtos é lido por um laser de HeNe. A luz refletida é detectada como um sinal luminoso cujas variações correspondem às regiões claras e escuras do código de barras. O detector converte o sinal luminoso em um sinal elétrico, que é enviado a um computador. A leitura ótica de informações é uma importante aplicação dos lasers. As informações originais podem ser impressas, como acontece com o código de barras nos produtos dos supermercados, ou gravadas na forma de pequenas depressões em um disco, como nos CDs.

Os sistemas de CD e videodisco usam um disco com pequenas depressões para armazenar informações de áudio ou de vídeo. Esses discos são gravados por um laser de alta intensidade, modulado pelo sinal que se deseja gravar. O CD player contém um pequeno laser semicondutor cuja luz é refletida pelo disco, a menos que exista um buraco na camada refletora. O sinal resultante, que varia com a rotação do disco, é captado por um detector e convertido em um sinal digital que contém as informações originais.como as ondas luminosas produzidas por um laser podem ser focalizadas em uma região de dimensões comparáveis ao comprimento de onda da luz, as memórias óticas permitem armazenar as informações de forma extremamente compacta. Na verdade, se considerarmos que um livro típico contém cerca de 6 Mbits, um disco ótico de 12 polegadas poderia teoricamente armazenar o conteúdo de cerca de 10.000 livros! Primeiro os microfilmes, depois os discos magnéticos e agora os discos óticos diminuíram drasticamente o volume necessário para armazenar informações.

As informações também podem ser transferidas para um raio luminoso usado se um sinal elétrico para modular a luz produzida pelo próprio laser. As impressoras laser utilizam um laser semicondutor modulado e o princípio da xerogravura. A luz do laser é focalizada e dirigida para um cilindro de selênio, onde provoca o aparecimento de cargas elétricas localizadas. Essas cargas são usadas para atrair as partículas de carbono do toner. Quando uma folha de papel é colocada em contato com o cilindro, o toner é transferido para o papel, onde é fixado pelo calor. A impressora laser só se tomou possível quando foi desenvolvido um laser semicondutor de potência relativamente alta na faixa da luz vermelha, para a qual o selênio é mais sensível. Hoje em dia, lasers desse tipo são tão baratos que começaram a ser usados como indicadores em aulas e conferências.

Nos sistemas óticos de comunicações, um laser modulado produz um feixe luminoso que leva as informações até um detector que pode estar localizado a quilômetros de distância. Nos sistemas de fibra ótica, o sinal de saída de um laser semicondutor, modulado através de sua corrente de excitação, é focalizado sobre uma fibra ótica.Nos sistemas que utilizam satélites, a comunicação é por visada direta. Nesse caso, costuma-se usar o laser de Nd:YAG, modulado por um cristal de LiNbO₃ que funciona como um obturador.

É possível conseguir uma modulação mais eficiente se a luz é confinada a guias de onda óticos, conceito que foi batizado de ótica integrada. O sonho da ótica integrada é substituir os sistemas óticos discretos por uma única pastilha semicondutora que contenha todos os dispositivos óticos necessários para a geração, a modulação, o processamento e a detecção dos sinais luminosos. Estamos a um passo de desenvolver circuitos óticos integrados capazes de competir com os circuitos integrados eletrônicos. O termo "optoeletrônica" é usado para circuitos que combinam componentes óticos e eletrônicos em uma única pastilha.

Laser: A Régua Perfeita

A coerência dos lasers faz deles os instrumentos ideais para executar uma grande variedade de medidas nas áreas da interferometria e da espectroscopia. Hoje em dia, as pequenas vibrações da Terra causadas pelos terremotos são medidas por interferômetros a laser. O radar laser (lidar) permitiu medir com grande precisão a distância entre a Terra e a Lua. Os primeiros astronautas a visitar a Lua deixaram na superfície do nosso satélite um "refletor de canto" (um espelho especialmente construído que reflete a luz na direção de onde veio, independentemente da orientação). Um laser de rubi pulsado foi colimado através de um telescópio no Texas e apontado para o refletor de canto na Lua, onde foi refletido de volta para o mesmo telescópio. Medindo-se o tempo de percurso do sinal luminoso. foi possível calcular a distância entre a Terra e a Lua com precisão de alguns centímetros.

Uma das técnicas usadas pela ciência que só se tornou possível com a invenção dos lasers é a holografia. Fazendo-se interferir a luz refletida por um objeto com um feixe luminoso de referência, é possível registrar tanto a intensidade quanto a fase relativa da luz refletida, o que permite a criação de imagens tridimensionais. Graças a figuras artísticas e comerciais, como o holograma da Terra que foi publicado no número de dezembro de 1988 da revista National Geographic e os hologramas usados em muitos cartões de crédito, a maioria das pessoas já está familiarizada com essas fotografias "em relevo" Na ciência e na engenharia, a holografia é usada para medir distorções em objetos. Quando um objeto muda de posição, mesmo que seja de uma fração de comprimento de onda, seu movimento pode ser detectado em hologramas tomados antes e depois do movimento. pois isso produz franjas de interferência na imagem.

O fato de os lasers serem monocromáticos produziu uma verdadeira revolução no campo da espectroscopia ótica. que é a medida da absorção ou emissão de luz por átomos e moléculas. Medindo com precisão que comprimentos de onda são absorvidos ou emitidos, o espectroscopista pode obter informações importantes a respeito do estado dos átomos ou moléculas no material que está sendo investigado. A espectroscopia é usada por várias ciências. como a química, a física. a biologia e a astronomia: um grande progresso fOi conseguido quando o laser tornou possível reduzir a largura de linha nas medidas por um fator de 10¹⁰. Um novo método de medida utiliza uma fibra ótica para observar mudanças em uma grandeza física. A fibra pode ser usada para levar a luz a um local de difícil acesso ou fazer parte do próprio sensor. Na primeira categoria estaria um dispositivo para medir a temperatura no fundo de um poço profundo, no qual a luz é conduzida ao fundo do poço por uma fibra. O sensor. instalado na ponta da fibra, é um bloco de semicondutor cuja transmissividade varia fortemente com a temperatura. seguido por um espelho. A intensidade da luz refletida varia com a temperatura, o que faz com que o sistema se comporte como um termômetro remoto.O mesmo princípio pode ser usado em outras aplicações. como a medida da pressão arterial e a detecção de poluentes.

A própria fibra ótica pode ser usada como sensor se for colocada em um dos braços de um interferômetro. Em geral, aa fibra é enrolada para aumentar a precisão da medida. Assim. por exemplo, descobrimos em nosso laboratório que uma bobina de fibra ótica é capaz de detectar o calor de nossas mãos a uma distância de 10 cm : As duas formas mais práticas de sensores com bobina de fibra desenvolvidas até o momento são os sensores acústicos (hidrofones) e os sensores inerciais (giroscópios óticos). No momento, estão sendo desenvolvidos sensores de fibra ótica para muitas aplicações médicas, comerciais e militares.

Uma das aplicações mais interessantes do laser no campo das medições faz uso de uma propriedade que viola a monocromaticidade que a maioria das pessoas associa aos lasers. Trata~se da capacidade de fazer com que os lasers de corante funcionem em uma larga faixa de freqüências e depois criar pulsos de luz extremamente curtos, com apenas 10^-14 s de duração. Como os tempos de resposta eletrônicos são da ordem de nanos segundos ( 10^-9 s), o uso de pulsos tão curtos permite testar a matéria muito mais rapidamente. O regime de 10^-15 s a 10^-13 s é chamado de "regime dos fentos segundos" . 

Os pulsos ultracurtos são criados por uma técnica de 'modos sincronizados" que consiste em usar lasers que possuem muitos modos de oscilação e sincronizar esses modos em um dado instante de tempo. Como as freqüências dos modos são diferentes, eles perdem rapidamente a coerência de fase e se cancelam em um tempo que depende do inverso da diferença de freqüências, podendo ser extremamente curto. Quanto maior for a dispersão das freqüências, mais curtos serão os pulsos. Os pulsos mais curtos foram obtidos com lasers de corante capazes de gerar freqüências em quase toda a faixa do espectro visível. Esses pulsos ultracurtos são usados para investigar processos físicos, químicos e eletromagnéticos extremamente rápidos que não poderiam ser estudados de outra forma.

Conclusões

Os lasers já fazem parte do nosso cotidiano e novas aplicações para eles estão sendo descobertas quase diariamente; discutimos apenas algumas das mais importantes. Novas pesquisas serão necessárias para aproveitar plenamente algumas dessas idéias e inventar novas aplicações. Os lasers estão hoje na mesma posição em que a eletrônica se encontrava no final da década de 1950. Quem se aventuraria a prever para que serão usados no século XXI?

Texto extraído do livro: Fundamentos de Física 4 - Óptica e Moderna - Halliday - Renisck - Walker - 4º Edição - LTC

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