Elza Vasconcellos

Em 1960 uma nova palavra, LASER, um acrônimo para Amplificação da Luz pela Emissão Estimulada da Radiação, foi acrescentada ao vocabulário. Esta invenção foi baseada numa variedade de idéias e fatos que se originaram em diferentes ramos da física e da engenharia, mas principalmente em fenômenos da física atômica e molecular que não podem ser explicados pela física clássica. Foi a aplicação da mecânica quântica de Einstein à eletrônica, que possibitou o florescimento do que denominamos eletrônica quântica, área que se desenvolveu após a Segunda Guerra Mundial e que deu origem ao descobrimento de muitos dispositivos, a começar pelo transistor nos anos 40, culminando com a descoberta do laser nos anos 60.

No final da década de 40, começo da década de 50, Charles Townes, então professor da Universidade de Columbia, em Nova Iorque, estava fazendo estudos espectroscópicos de moléculas utilizando radiação de microondas. Ele pretendia produzir microondas mais curtas do que aquelas utilizadas nos radares da Segunda Guerra Mundial, e teve a idéia de utilizar moléculas e a radiação estimulada (conceito introduzido por Einstein em 1917), delas proveniente. Ele e seus colaboradores foram bem sucedidos, produzindo radiação estimulada de comprimento de onda de 1cm, o que foi batizado com o nome MASER referindo-se à radiação estimulada na região de microondas. O maser foi assim, o precursor do laser. Ao final dos anos 50, percebeu-se que esses estudos poderiam ser estendidos à faixa espectral que vai das microondas até a luz visível. Novamente, Townes e seu colega Arthur Schawlow conseguiram mostrar, teoricamente, que era possível utilizar átomos para gerar um Maser óptico, que foi denominado Laser, isto é, simplesmente um maser que produzisse radiação na região visível do espectro eletromagnético, o que conhecemos por luz. Foi Theodore Maiman que em 1960 conseguiu fazer funcionar o primeiro laser sólido, feito a partir de um cristal de rubi, e foi Javan a produzir o primeiro laser à gas, a partir de uma mistura dos gases nobres Hélio e Neônio. (Fig. 1).

Figura 1 - Primeiro laser à gás constituído por uma mistura dos gases nobres Hélio e Neônio

É interessante notar que, nessa época, muitos pesquisadores que trabalhavam em pesquisa fundamental, em vários países, contribuíram para o advento do laser. Não existia, a priori, intenção de produzir um tal equipamento; e, quando este surgiu, nem mesmo se cogitava sobre o número de aplicações que ele viria a produzir. Nas palavras de Townes, "O desenvolvimento do maser e do laser não seguiu nenhum roteiro, ele simplesmente nasceu da natureza dos cientistas no seu desejo de entender, explorar e criar. Ele é um exemplo gritante de como tecnologias importantes, aplicáveis aos interesses humanos, podem nascer da pesquisa básica feita na universidade". Assim, em 1964, o americano Townes e os russos Basov e Prokorov que, independentemente, deram contribuição significativa na área de lasers sólidos, semicondutores, foram agraciados com o prêmio Nobel de Física, pelo trabalho fundamental na área da eletrônica quântica que levou à construção dos sistemas maser e laser (Fig. 2).

Mas afinal, o que é o laser? O laser pode ser descrito numa maneira simplificada, como sendo uma fonte luminosa que utiliza a luz emitida por um átomo ou molécula para estimular a emissão de mais luz por outros átomos ou moléculas, e, neste processo, amplificar a luz original. Esses átomos ou moléculas são previamente preparados, ou como dizemos, excitados para energias mais altas. Ao perderem a energia armazeda o fazem pela emissão de luz que inicia todo o processo em cadeia. No tipo mais comum de laser conhecido, o laser de Hélio-Neônio, de luz vermelha, os átomos do gás nobre Neônio é que constituem o meio ativo do laser, isto é, são eles que emitem luz que, ao atingir outros átomos de Neônio contidos numa cavidade laser, estimulam-nos a também emitir o mesmo tipo de luz e, assim, amplificá-la. A Fig. 3 é um desenho esquemático de uma tal cavidade laser. Os átomos estão contidos num tubo que é fechado nas extremidades por dois espelhos que ajudam a confinar a luz emitida num vai-e-vem ao longo da cavidade. No processo, essa luz, ao atingir outros átomos, os induzem a também emitir luz de mesma cor (que está associada ao comprimento de onda dessa luz), amplificando o processo. Essa intensa radiação produzida dentro da cavidade laser pode ser extraída, por exemplo, através de um pequeno orifício central num dos espelhos que constituem a cavidade laser, originando o feixe unidirecional de luz que se observa.

Figura 3 - Desenho esquemático de uma cavidade laser.

Como então, a grosso modo, a luz de um laser difere de uma luz de uma lâmpada de filamento incandescente, por exemplo? A luz do laser é mais intensa, é emitida numa só direção e tem uma cor específica (comprimento de onda único), enquanto a luz de uma lâmpada incandescente é fraca, é emitida em todas as direções e é formada por muitas cores (radiações de diversos comprimentos de onda) que, somadas, resultam em luz branca.

Existem muitos tipos de lasers, tanto quanto à intensidade do feixe, ao tipo ("cor") de radiação, à produção do feixe, se pulsada ou contínua, e quanto ao desenho específico e tamanho da cavidade, esta última podendo ser de imensões microscópicas ou atingir vários metros de comprimento.

Os lasers podem ser produzidos em diversos meios diferentes, isto é, o meio ativo que gera a radiação pode ser um sólido, como um cristal ou um semicondutor, pode ser um líquido, como um corante ou pode ainda ser um gás ou vapor. O laser à gás é um dos mais eficientes. Nesta categoria está, por exemplo, o laser de dióxido de carbono, cuja radiação, na região do infravermelho, não é visível.

Quando o laser foi descoberto não se podia avaliar a enormidade de aplicações a que serviria. Por vários anos após sua invenção, os colegas do Townes gostavam de provocá-lo dizendo que a invenção do laser tinha sido uma grande idéia, mas que o laser era uma solução à procura de um problema. Lasers são hoje utilizados em afazeres tão corriqueiros como nas comunicações telefônicas, nas leituras de código nas caixas do supermercado, nos tocadores de discos compactos, no corte de metais, papel e roupas, e também em afazeres sofisticados e de precisão como aqueles efetuados em cirurgias oftalmológicas, processamento e manipulação de materiais biológicos, etc. Além de tudo isso, os lasers têm sido amplamente estudados em seus aspectos fundamentais, onde ele joga ao mesmo tempo o papel de ferramenta a ser utilizada e "material" a ser pesquisado. A sua aplicação ao estudo da ciência fundamental propiciará novas descobertas e aplicações, hoje em dia inimagináveis.

Elza Vasconcellos é professora do Instituto de Física Gleb Wataghin da Unicamp

Atualizado em 10/04/2001

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