Além do laser tag, você pode encontrar lasers em objetos do cotidiano, como CD players ou mesmo brocas dentais. RichLegg / Getty Images "Guerra das Estrelas, " "Jornada nas Estrelas, "" Battlestar Galactica "- a tecnologia de laser desempenha um papel central em filmes e livros de ficção científica. É sem dúvida graças a esse tipo de história que agora associamos os lasers a guerras futurísticas e naves espaciais elegantes.
Mas os lasers desempenham um papel fundamental em nossa vida cotidiana, também. O fato é que, eles aparecem em uma incrível variedade de produtos e tecnologias. Você os encontrará em tudo, desde leitores de CD a brocas dentais, máquinas de corte de metal de alta velocidade e sistemas de medição. Remoção de tatuagem, substituição de cabelo, cirurgia ocular - todos eles usam lasers. Mas o que é um laser? O que torna um feixe de laser diferente do feixe de uma lanterna? Especificamente, o que torna uma luz laser diferente de outros tipos de luz? Como os lasers são classificados?
Neste artigo, você aprenderá tudo sobre os diferentes tipos de lasers, seus diferentes comprimentos de onda e os usos que os colocamos. Mas primeiro, vamos começar com os fundamentos da tecnologia a laser:vá para a próxima página para descobrir os fundamentos de um átomo.
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Um átomo, no modelo mais simples, consiste em um núcleo e elétrons em órbita. HSW Existem apenas cerca de 100 tipos diferentes de átomos em todo o universo. Tudo o que vemos é feito desses 100 átomos em um número ilimitado de combinações. Como esses átomos estão organizados e ligados determina se os átomos formam um copo de água, um pedaço de metal, ou a efervescência que sai da sua lata de refrigerante!
Os átomos estão em constante movimento. Eles vibram continuamente, mover e girar. Até mesmo os átomos que constituem as cadeiras em que nos sentamos estão se movendo. Os sólidos estão realmente em movimento! Os átomos podem estar em diferentes estados de excitação . Em outras palavras, eles podem ter energias diferentes. Se aplicarmos muita energia a um átomo, pode deixar o que é chamado de nível de energia do estado fundamental e vá para um nível animado. O nível de excitação depende da quantidade de energia que é aplicada ao átomo via calor, luz, ou eletricidade.
Acima está uma interpretação clássica da aparência do átomo.
Este átomo simples consiste em um núcleo (contendo os prótons e nêutrons) e um Nuvem de elétrons. É útil pensar nos elétrons nesta nuvem circulando o núcleo em muitas órbitas diferentes.
Absorção de energia:um átomo absorve energia na forma de calor, luz, ou eletricidade. Os elétrons podem se mover de uma órbita de baixa energia para uma órbita de alta energia. Considere a ilustração da página anterior. Embora visões mais modernas do átomo não retratam órbitas discretas para os elétrons, pode ser útil pensar nessas órbitas como os diferentes níveis de energia do átomo. Em outras palavras, se aplicarmos um pouco de calor a um átomo, poderíamos esperar que alguns dos elétrons nos orbitais de energia mais baixa transitassem para orbitais de energia mais alta, mais distantes do núcleo.
Esta é uma visão altamente simplificada das coisas, mas na verdade reflete a ideia central de como os átomos funcionam em termos de lasers.
Uma vez que um elétron se move para uma órbita de alta energia, eventualmente, deseja retornar ao estado fundamental. Quando isso acontecer, ele libera sua energia como um fóton - uma partícula de luz. Você vê átomos liberando energia como fótons o tempo todo. Por exemplo, quando o elemento de aquecimento em uma torradeira fica vermelho brilhante, a cor vermelha é causada por átomos, animado pelo calor, liberando fótons vermelhos. Quando você vê uma imagem na tela da TV, o que você está vendo são átomos de fósforo, animado por elétrons de alta velocidade, emitindo diferentes cores de luz. Qualquer coisa que produza luz - lâmpadas fluorescentes, lanternas a gás, lâmpadas incandescentes - faz isso por meio da ação de elétrons mudando de órbita e liberando fótons.
UMA laser é um dispositivo que controla a maneira como os átomos energizados liberam fótons. "Laser" é um acrônimo para Amplificação de Luz por Emissão Estimulada de Radiação , que descreve muito sucintamente como um laser funciona.
Embora existam muitos tipos de lasers, todos têm certos recursos essenciais. Em um laser, o meio laser é “bombeado” para colocar os átomos em um estado excitado. Tipicamente, flashes de luz muito intensos ou descargas elétricas bombeiam o meio emissor e criam uma grande coleção de átomos em estado excitado (átomos com elétrons de alta energia). É necessário ter uma grande coleção de átomos no estado excitado para que o laser funcione com eficiência. Em geral, os átomos são excitados a um nível que está dois ou três níveis acima do estado fundamental. Isso aumenta o grau de inversão de população . A inversão da população é o número de átomos no estado excitado versus o número no estado fundamental.
Uma vez que o meio laser é bombeado, ele contém uma coleção de átomos com alguns elétrons situados em níveis excitados. Os elétrons excitados têm energias maiores do que os elétrons mais relaxados. Assim como o elétron absorveu alguma quantidade de energia para atingir este nível de excitação, também pode liberar essa energia. Como a figura abaixo ilustra, o elétron pode simplesmente relaxar, e, por sua vez, livra-se de alguma energia. Esse energia emitida vem na forma de fótons (Energia luminosa). O fóton emitido tem um comprimento de onda (cor) muito específico que depende do estado da energia do elétron quando o fóton é liberado. Dois átomos idênticos com elétrons em estados idênticos liberarão fótons com comprimentos de onda idênticos.
A luz laser é muito diferente do normal e tem as seguintes propriedades:
Para fazer essas três propriedades ocorrerem, é necessário algo chamado emissão estimulada . Isso não ocorre em sua lanterna comum - em uma lanterna, todos os átomos liberam seus fótons aleatoriamente. Na emissão estimulada, a emissão de fótons é organizada.
O fóton que qualquer átomo libera tem um certo comprimento de onda que depende da diferença de energia entre o estado excitado e o estado fundamental. Se este fóton (possuindo certa energia e fase) encontrar outro átomo que tem um elétron no mesmo estado excitado, emissão estimulada pode ocorrer. O primeiro fóton pode estimular ou induzir a emissão atômica de modo que o fóton emitido subsequente (do segundo átomo) vibre com a mesma frequência e direção do fóton que chega.
A outra chave para um laser é um par de espelhos , um em cada extremidade do meio laser. Fótons, com um comprimento de onda e fase muito específicos, reflita nos espelhos para viajar para frente e para trás através do meio laser. No processo, eles estimulam outros elétrons a fazer o salto de energia para baixo e podem causar a emissão de mais fótons do mesmo comprimento de onda e fase. Um efeito cascata ocorre, e logo propagamos muitos, muitos fótons do mesmo comprimento de onda e fase. O espelho em uma extremidade do laser é "meio prateado, "o que significa que reflete um pouco e deixa passar alguma luz. A luz que passa é o laser.
Você pode ver todos esses componentes nas figuras da página seguinte, que ilustram como um simples laser de rubi trabalho.
Um laser de rubi consiste em um tubo de flash (como você teria em uma câmera), uma haste de rubi e dois espelhos (um meio prateado). A haste de rubi é o meio laser e o tubo de flash o bombeia.
2. O tubo de flash dispara e injeta luz na haste de rubi. A luz excita átomos no rubi. Como as coisas funcionam 
3. Alguns desses átomos emitem fótons. Como as coisas funcionam 
4. Alguns desses fótons correm em uma direção paralela ao eixo do rubi, então eles saltam para frente e para trás nos espelhos. Conforme eles passam pelo cristal, eles estimulam a emissão em outros átomos. Como as coisas funcionam 
5. Monocromático, Fase única, a luz em colunas deixa o rubi através do espelho meio prateado - luz laser! Como as coisas funcionam
Aqui está o que acontece na vida real, laser de três níveis.
Como as coisas funcionam Na próxima seção, você aprenderá sobre os diferentes tipos de lasers.
Existem muitos tipos diferentes de lasers. O meio laser pode ser sólido, gás, líquido ou semicondutor. Lasers são comumente designados pelo tipo de material de laser empregado:
UMA laser de rubi (representado anteriormente) é um laser de estado sólido e emite no comprimento de onda de 694 nm. Outros meios laser podem ser selecionados com base no comprimento de onda de emissão desejado (consulte a tabela abaixo), poder necessário, e duração do pulso. Alguns lasers são muito poderosos, como o laser de CO2, que pode cortar aço. A razão pela qual o laser de CO2 é tão perigoso é porque ele emite luz laser na região do infravermelho e de micro-ondas do espectro. A radiação infravermelha é calor, e esse laser basicamente derrete através de tudo o que está focado.
Outros lasers, como lasers de diodo, são muito fracos e são usados nos ponteiros laser de bolso de hoje. Esses lasers normalmente emitem um feixe de luz vermelha com comprimento de onda entre 630 nm e 680 nm. Os lasers são utilizados na indústria e na pesquisa para fazer muitas coisas, incluindo o uso de luz laser intensa para estimular outras moléculas a observar o que acontece com elas.
Aqui estão alguns lasers típicos e seus comprimentos de onda de emissão (em nanômetros):
Lasers são classificados em quatro grandes áreas, dependendo do potencial de causar dano biológico . Quando você vê um laser, deve ser rotulado com uma destas quatro designações de classe:
Para obter mais informações sobre lasers e tópicos relacionados, confira os links a seguir.
Matthew Weschler possui mestrado em Química Física Orgânica pela Florida State University. O tema de sua tese foi espectroscopia a laser de picossegundos, e ele estudou como as moléculas reagem a picossegundos após serem bombardeadas por luz laser.
