8.7: Lasers

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Objetivos de

Ao final desta seção, você poderá:

Descreva os processos físicos necessários para produzir luz laser
Explique a diferença entre luz coerente e incoerente
Descreva a aplicação de lasers em um reprodutor de CD e Blu-Ray

Um laser é um dispositivo que emite luz coerente e monocromática. A luz é coerente se os fótons que compõem a luz estiverem em fase e monocromática se os fótons tiverem uma única frequência (cor). Quando um gás no laser absorve radiação, os elétrons são elevados a diferentes níveis de energia. A maioria dos elétrons retorna imediatamente ao estado fundamental, mas outros permanecem no que é chamado de estado metaestável. É possível colocar a maioria desses átomos em um estado metaestável, uma condição chamada inversão populacional.

Uma ilustração da amplificação da luz em um laser. Dois níveis de energia são mostrados como linhas pontilhadas, um acima do outro em três momentos diferentes. Os elétrons estão no estado superior, que é um estado metaestável, e fazem a transição para o estado inferior. Uma onda de luz com energia h f chega, fazendo com que o elétron caia para o estado inferior. Dois fótons idênticos, em fase, de energia h f são emitidos e absorvidos por mais elétrons no estado metaestável. Esses elétrons caem para o estado inferior e emitem quatro fotos idênticas, em fase, da energia h f, que são então absorvidas pelo terceiro conjunto de elétrons. Os elétrons fazem a transição para o estado inferior e emitem oito fótons idênticos, em fase, de energia h f. — Figura\(\PageIndex{1}\): A física de um laser. Um fóton incidente da frequência f causa uma cascata de fótons da mesma frequência.

Quando um fóton de energia perturba um elétron em um estado metaestável (Figura\(\PageIndex{1}\)), o elétron cai para o nível de energia mais baixo e emite um fóton adicional, e os dois fótons prosseguem juntos. Esse processo é chamado de emissão estimulada. Ocorre com uma probabilidade relativamente alta quando a energia do fóton de entrada é igual à diferença de energia entre os níveis de energia excitado e “desexcitado” do elétron (\(\Delta E = hf\)). Portanto, o fóton de entrada e o fóton produzido pela desexcitação têm a mesma energia, hf. Esses fótons encontram mais elétrons no estado metaestável e o processo se repete. O resultado é uma reação em cascata ou em cadeia de desexcitações similares. A luz laser é coerente porque todas as ondas de luz na luz laser compartilham a mesma frequência (cor) e a mesma fase (quaisquer dois pontos ao longo de uma linha perpendicular à direção do movimento estão na “mesma parte” da onda”). Um diagrama esquemático do padrão de onda de luz coerente e incoerente é dado na Figura\(\PageIndex{2}\).

Uma ilustração do padrão de onda de luz coerente e do padrão de onda de luz incoerente. A luz coerente consiste em ondas do mesmo comprimento de onda, fase e amplitude, de modo que todas as cristas estejam alinhadas e todas as vales estejam alinhadas. A luz incoerente consiste em ondas de diferentes comprimentos de onda, fases e amplitudes, resultando em cristas e vales sobrepostos de ondas diferentes. — Figura\(\PageIndex{2}\): Um padrão de onda de luz coerente contém ondas de luz da mesma frequência e fase. Um padrão de onda de luz incoerente contém ondas de luz de diferentes frequências e fases.

Os lasers são usados em uma ampla gama de aplicações, como em comunicação (linhas telefônicas de fibra óptica), entretenimento (shows de luzes a laser), medicamentos (remoção de tumores e vasos cauterizadores na retina) e em vendas no varejo (leitores de código de barras). Os lasers também podem ser produzidos por uma grande variedade de materiais, incluindo sólidos (por exemplo, o cristal de rubi), gases (mistura de gás hélio) e líquidos (corantes orgânicos). Recentemente, um laser foi criado até mesmo usando gelatina — um laser comestível! Abaixo, discutimos duas aplicações práticas em detalhes: leitores de CD e leitores de Blu-Ray.

Leitor de CD

Um CD player lê as informações digitais armazenadas em um disco compacto (CD). Um CD é um disco de 6 polegadas de diâmetro feito de plástico que contém pequenos “solavancos” e “buracos” próximos à sua superfície para codificar dados digitais ou binários (Figura\(\PageIndex{3}\)). Os solavancos e buracos aparecem ao longo de uma trilha muito fina que se estende para fora a partir do centro do disco. A largura da pista é menor que 1/20 da largura de um fio de cabelo humano, e as alturas dos solavancos são ainda menores.

Uma ilustração dos detalhes de um disco compacto. Um feixe de laser atinge o disco por baixo em ângulos retos. O disco consiste em três camadas. A camada inferior é uma camada de plástico de policarbonato com buracos e solavancos alternados. Uma fina camada de alumínio é depositada sobre a camada de plástico. Uma camada de laca cobre o disco, preenchendo os solavancos e os buracos e formando uma superfície superior lisa. O disco inteiro, incluindo as três camadas, tem 1,2 m de espessura. — Figura\(\PageIndex{3}\): Um disco compacto é um disco de plástico que usa solavancos perto de sua superfície para codificar informações digitais. A superfície do disco contém várias camadas, incluindo uma camada de alumínio e uma de plástico policarbonato.

Um CD player usa um laser para ler essas informações digitais. A luz laser é adequada para esse propósito, porque a luz coerente pode ser focada em um ponto incrivelmente pequeno e, portanto, distinguir entre solavancos e buracos no CD. Após o processamento pelos componentes do player (incluindo uma grade de difração, polarizador e colimador), a luz do laser é focada por uma lente na superfície do CD. A luz que atinge uma protuberância (“terra”) é meramente refletida, mas a luz que atinge um “poço” interfere destrutivamente, então nenhuma luz retorna (os detalhes desse processo não são importantes para essa discussão). A luz refletida é interpretada como “1” e a luz não refletida é interpretada como “0". O sinal digital resultante é convertido em um sinal analógico e o sinal analógico é alimentado em um amplificador que alimenta um dispositivo, como um par de fones de ouvido. O sistema laser de um CD player é mostrado na Figura\(\PageIndex{4}\).

Uma fotografia do funcionamento interno de um CD player — Figura\(\PageIndex{4}\): Um CD player e seu componente de laser.

Leitor de Blu-Ray

Como um CD player, um reprodutor de Blu-Ray lê informações digitais (vídeo ou áudio) armazenadas em um disco e um laser é usado para gravar essas informações. Os poços em um disco Blu-Ray são muito menores e mais compactados do que em um CD, portanto, muito mais informações podem ser armazenadas. Como resultado, o poder de resolução do laser deve ser maior. Isso é obtido usando luz laser azul de comprimento de onda curto (\(λ=405\,nm\)) - daí o nome “Blu-” Ray. (CDs e DVDs usam luz laser vermelha.) Os diferentes tamanhos de fossa e configurações de hardware do reprodutor de um reprodutor de CD, DVD e Blu-Ray são mostrados na Figura\(\PageIndex{5}\). Os tamanhos dos boxes de um disco Blu-Ray são duas vezes menores do que os poços de um DVD ou CD. Ao contrário de um CD, um disco Blu-Ray armazena dados em uma camada de policarbonato, o que coloca os dados mais perto da lente e evita problemas de legibilidade. Um revestimento rígido é usado para proteger os dados, pois está muito próximo da superfície.

Os diferentes tamanhos de fossa e configurações de hardware do reprodutor de um reprodutor de CD, DVD e Blu-Ray são ilustrados. Em cada caso, os poços são menores do que o tamanho da mancha feita pelo feixe de laser na superfície do meio de armazenamento. À esquerda, o CD player, com capacidade de armazenamento de 0,7 GB, é exibido. O laser de CD tem um comprimento de onda lambda igual a 780 nanômetros, correspondendo a uma cor vermelha. Ele é focado por uma lente, penetrando no material do CD até uma profundidade de 1,2 m e formando um ponto relativamente grande na superfície do CD. No meio, o DVD player, com capacidade de armazenamento de 4,7 GB, é exibido. O laser de DVD tem um comprimento de onda lambda igual a 650 nanômetros, correspondendo a uma cor laranja-avermelhada. Ele é focado por uma lente, penetrando no material do DVD a uma profundidade de 0,6 m e formando um ponto menor na superfície do DVD do que vimos no CD. À direita, o reprodutor Blue-Ray, com capacidade de armazenamento de 25 GB, é mostrado. O laser Blue-ray tem um comprimento de onda lambda igual a 405 nanômetros, correspondendo a uma cor azul. Ele é focado por uma lente, penetrando no material do disco de raios azuis até uma profundidade de 0,1 m m e formando uma pequena mancha na superfície do disco. — Figura\(\PageIndex{5}\): Comparação da resolução do laser em um reprodutor de CD, DVD e Blu-Ray.