Laser

Introdução 

     A palavra laser é formada com as iniciais das palavras da expressão inglesa light amplification by stimulated emission of radiation, ou seja, amplificação de luz por emissão estimulada de radiação.

Modelo Atômico de Bohr 

     No modelo atômico de Bohr, embora os elétrons se movam ao redor do núcleo segundo as leis de Newton, as únicas órbitas possíveis são aquelas para as quais o momento angular é quantizado segundo a expressão:

     L = ( h / 2p ) n

onde h = 4,14 x 10^-15 eVs é a constante de Planck e n, um número que só pode tomar os valores inteiros 1, 2, 3, 4, ...



     Para o átomo de hidrogênio, por exemplo, os raios das possíveis órbitas e as correspondentes energias são dados por:

     Rn  ( 0,53  ) n²

     En  - ( 13,69 eV ) / n²

     Um elétron pode passar de uma órbita para outra absorvendo ou emitindo um fóton (radiação eletromagnética) de freqüência:

     n = | Ef - Ei | / h

onde Ei e Ef são as energias associadas, respectivamente, às órbitas inicial e final do elétron ou, como também se diz, aos estados estacionários inicial e final do átomo.

Emissão Estimulada 

     A interação de fótons com átomos com elétrons em várias órbitas se dá principalmente por três processos: absorção, emissão espontânea e emissão estimulada.


     Um fóton pode ser absorvido por um átomo e, em conseqüência, um elétron passa de uma órbita para outra, de energia maior. O fóton só pode ser absorvido se a sua energia é igual à energia do estado final menos a energia do estado inicial. Esse processo é chamado de absorção e se diz que o átomo correspondente fica num estado excitado.
     Um elétron pode passar espontaneamente de uma órbitas para outra, de energia menor e, com isso, o átomo correspondente emite um fóton numa direção qualquer. O fóton emitido tem energia igual à energia do estado inicial menos a energia do estado final. Esse processo é chamado de emissão espontânea ou decaimento espontâneo e é o processo pelo qual a maioria dos átomos com excesso de energia passam a estados de menor energia.
     De um modo geral, o intervalo de tempo durante o qual um elétron permanece numa órbita antes de decair por emissão de um fóton com energia na região visível do espectro é da ordem de 10^-8 ou 10^-7 s. Diferentes materiais têm diferentes estruturas de órbitas e, portanto, irradiam fótons de diferentes comprimentos de onda.
     Um elétron pode ser estimulado a passar de uma órbita para outra, de energia menor, por um fóton de energia igual à energia do estado inicial menos a energia do estado final. Esse processo é chamado de emissão estimulada.
     O fóton que estimulou a transição e o fóton emitido pelo átomo são coerentes, isto é, têm energias, freqüências, comprimentos de onda e fases iguais e, ainda, a mesma direção de propagação.
     Este é o processo básico de amplificação da adiação que origina o raio laser.

Diagrama de Níveis de Energia 

     No diagrama de níveis de energia de um átomo, a cada estado estacionário se associa uma linha horizontal, de modo que a separação entre duas linhas quaisquer seja proporcional à diferença de energia entre os estados estacionários correspondentes desse átomo.


     A figura representa o diagrama de níveis de energia do átomo de hidrogênio no modelo de Bohr.
     A linha inferior representa o estado fundamental, isto é, o estado de menor energia (n = 1), e a linha superior, o estado de energia zero (n = ), correspondendo ao núcleo e o elétron separados de uma distância infinita, ou seja, ao átomo ionizado.
     Pela forma desse diagrama, em que os estados estacionários são representados por linhas desenhadas em diferentes níveis horizontais, a expressão nível de energia se tornou sinônima da expressão energia de estado estacionário e, também, da expressão órbita estacionária.
     As flechas verticais indicam (algumas) transições atômicas com emissão de fótons.

Inversão de População 

     Se uma amostra de uma dada substância está submetida a um banho de radiações eletromagnéticas com as mais diferentes freqüências, todos os processos mencionados acima (absorção, emissão espontânea e emissão estimulada) ocorrem, com átomos sendo excitados e desexcitados continuamente.
     Se a amostra está em equlíbrio térmico com o banho de radiações, o número de átomos no estado de energia E2 é muito menor que o número de átomos no estado de energia E1 se E2 é maior do que E1.
     Diz-se que existe inversão de população se, por alguma circunstância, o número de átomos no estado de energia E2 fica muito maior do que o seu valor no equlíbrio térmico.
     Com a inversão de população, os processos de emissão ficam mais importantes do que os processos de absorção.
     Então, se um feixe com radiações eletromagnéticas de diferentes freqüências atravessa a amostra, a radiação com a freqüência certa para provocar emissão estimulada sai da amostra com um número maior de fótons (maior intensidade) do que quando entrou, ou seja, a radiação com esta freqüência é amplificada.
     Ainda, como o número de átomos que são desexcitados é maior do que o número de átomos que são excitados, a inversão de população e a amplificação diminuem rapidamente até se anularem no equilíbrio térmico.
     Os dispositivos laser restabelecem continuamente a inversão de população e, portanto, a amplificação da radiação com a freqüência apropriada.

Inversão de População no Rubi 

     O rubi é constituido pelo óxido de alumínio Al2O3, onde uma pequena fração (até 1%) dos ions de alumínio são substituidos por ions de cromo.
     Além da coloração avermelhada, os ions de cromo são responsáveis também pela produção do raio laser porque neles é que ocorre a inversão de população.


     A figura mostra muito simplificadamente a estrutura de níveis de energia dos ions de cromo do rubi.
     Quando uma amostra de rubi é iluminada com luz branca de alta intensidade, uma boa parte dos ions de cromo absorvem as componentes de cor verde e azul e seus elétrons são promovidos aos níveis de energias E3 e E4.
     Esses elétrons, depois de um cutíssimo lapso de tempo, realizam transições não radiativas para os níveis metaestáveis de energia E2.
     Essas transições não radiativas têm esse nome porque não resultam em emissão de luz visível e, sim, de radiação eletromagnética de baixa freqüência que, absorvida pelo resto da amostra de rubi, faz aumentar sua energia interna e sua temperatura.
     Os níveis metaestáveis têm esse nome porque os elétrons permanecem neles um intervalo de tempo da ordem de 10^-3 s, intervalo esse relativamente grande quando comparado ao intervalo de tempo da ordem de 10^-8 s durante o qual os elétrons permanecem nos níveis normais.
     O longo intervalo de tempo que os elétrons permanecem nos níveis metaestáveis permite que, num dado instante de tempo, mais da metade dos ions de cromo tenha elétrons nesses níveis, ou seja, permite que se estabeleça uma inversão de população entre os níveis metaestáveis (de energia E2) e os níveis fundamentais (de energia E1).
     Desta forma, se essa amostra de rubi é submetida à radiação eletromagnética de freqüêncian = ( E2 - E1 ) / h, passam a existir transições estimuladas do nível de energia E2 para o nível de energia E1.

Laser de Rubi 

     Num laser pulsante de rubi, uma vareta cilíndrica de rubi sintético (com o diâmetro de um lápis e uns 8 cm de comprimento) é irradiada com a luz de alta intensidade proveniente de uma lâmpada de flash pulsante.


     A cada pulso, as componentes verde e azul do espectro visível dessa luz são absorvidas pelos ions de cromo e terminam por originar uma inversão de população entre os níveis metaestáveis e os níveis fundamentais.
     Alguns ions de cromo, nos quais os elétrons estão nos níveis metaestáveis, decaem espontaneamente para o estado fundamental, emitindo, em direções aleatórias, fótons com uma freqüência que, no caso do rubi, é de cerca de 4,33 x 10¹⁴ Hz, correspondente à componente do espectro visível que aparece, aos olhos humanos, como o vermelho característico do rubi.
     Esses fótons podem, então, interagir com outros ions de cromo com elétrons em níveis metaestáveis e provocar emissão estimulada de outros fótons de mesma freqüência. E assim por diante. A intensidade da luz vermelha cresce rapidamente.
     A vareta de rubi está localizada ao longo do eixo de uma cavidade cilíndrica metálica com paredes internas polidas (refletoras), de modo que os fótons que abandonam a vareta pela superfície lateral são trazidos de volta.
     Além disso, as extremidades da vareta são polidas e cobertas de prata, formando dois espelhos paralelos entre si e perpendiculares ao eixo da vareta, um deles totalmente refletor e o outro, parcialmente (~ 95%) refletor.
     Ainda, o comprimento da vareta de rubi é tal que ela se constitui numa cavidade ótica ressonante, ou seja, tal que a radiação laser, refletida sobre si mesma, interfere construtivamente.
     Assim, enquanto perdurar a inversão de população provocada pelo pulso da lâmpada de flash, a radiação laser se desloca num movimento de vai-vem entre os espelhos, provocando cada vez mais transições induzidas dos níveis metaestáveis aos níveis fundamentais.
     E cada vez que a radiação laser atinge o espelho parcialmente refletor, parte escapa ao exterior, constituindo o que se chama de raio laser.
     Cada pulso da lâmpada de flash gera um puso de luz laser, ou seja, um pulso muito intenso de luz coerente.

Conclusão 

     O desenvolvimento de tipos de laser depende de se encontrar materiais onde pode ocorrer inversão de população. O primeiro material usado foi o rubi sintético e é esse que se discute aqui.
     Muitos outros materiais podem ser usados. Alguns, como o rubi, emitem luz laser pulsada e outros, como a mistura dos gases hélio e neônio e certos corantes líquidos, emitem luz laser contínua.


FONTE:
http://www.ufsm.br/gef/Laser.htm#inicio