BERKELEY E OS RAIOS LASER

"A menos que a verdade seja sua própria experiência,
o que você acredita em relação a ela é apenas crença.
E todas as crenças são mentiras, e todos os crentes são cegos."

Há muito queria escrever sobre alguma pesquisa da Universidade norte-americana de Berkeley *, onde cientistas desenvolveram os primeiros estudos sobre os revolucionários raios laser. A palavra "Laser" na verdade é uma sigla de "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", ou seja, "amplificação da luz por emissão estimulada de radiação".

O laser é formado por um feixe de luz coerente que se concentra numa área pequena e bem definida. Praticamente não existe dispersão - espalhamento - neste feixe luminoso, ao contrário de um lâmpada, cujos raios luminosos se espalham abrangendo grande área. Qualquer substância no interior desse raio evapora instantaneamente

Sucintamente, o laser funciona da seguinte maneira: quando um átomo se excita suficientemente para alcançar a sua última camada de valência (seu estado excitado ou nível metaestável) ele deixa sua lacuna - seu lugar de origem - vazia, e ao retornar a essa lacuna (não necessariamente o mesmo elétron) emite uma radiação eletromagnética.

O intervalo de tempo em que o elétron permanece fora de sua lacuna pode variar e é esse tempo que determina a dispersão de energia, ou seja, quanto mais tempo permanece fora, menor será sua dispersão quando ele voltar.

Tipos de Laser

Existem dois tipos básicos de lasers: o de impulsos e o de emissão contínua. A diferença entre eles é que o primeiro fornece uma certa energia em um tempo muito pequeno, com uma potência extremamente alta; e o segundo, vai emitindo sua energia aos poucos, com uma intensidade muito menor.

Nos lasers a impulsos (material de estado sólido), a emissão se dá da seguinte maneira: a energia acumulada nos átomos de um rubi, por exemplo, é liberada em um tempo muito curto.

Já nos lasers de emissão contínua (material de estado gasoso) é diferente: a luz é constantemente refletida de um lado para o outro, dentro de um tubo que contém um gás. A cada passagem do feixe de luz, a intensidade aumenta um pouco (se não houver algo que absorva a luz, caso contrário a emissão se amortece).

Dentro desses tipos básicos de lasers, existem outros tipos mais específicos, que distinguem-se segundo o material ativo empregado e o tipo de excitação utilizada para desencadear o processo.

Segundo MATZNER, "...esta luz tipo laser pode ser obtida a partir de substâncias sólidas, líquidas ou gasosas, as quais podem ser estimuladas por 3 formas diferentes:

.Bombardeamento ótico;

.Bombardeamento por RF ou corrente contínua;

.Bombardeamento de injeção de uma corrente intensa.

Nos lasers a partir de substâncias gasosas, encontra-se:

.Laser atômico: é aquele que se utiliza da transição de átomos não ionizados entre diferentes níveis de energia.

.Laser iônico: é aquele que funciona através da colisão de elétrons em seus átomos, com excitação por corrente continua ou Rádio Frequência (RF).

.Laser molecular: é aquele em que é necessário "quebrar" a molécula do gás para que haja a emissão da luz.


Histórico

Em 1916, Albert Einstein lançou os fundamentos da invenção do laser, o maser, a partir da lei de Max Planck. A teoria ficou esquecida até o final da Segunda Guerra Mundial.

Em 1953, Charles Hard Townes, James P. Gordon e Herbert J. Zeiger produziam o primeiro Maser, um dispositivo similar ao laser, mas produz microondas em vez de luz visível. O maser de Townes não tinha capacidade de emitir as ondas de forma continua. Nikolai Basov e Aleksander Prokhorov da União Soviética trabalharam de forma independente em um oscilador quantum e resolveram o problema da emissão continua utilizando duas fontes de energia com níveis diferentes.

Quando esta radiação tem frequência visível, chama-se luz. O efeito físico por trás de seu funcionamento é a emissão estimulada, descoberta pelo físico Albert Einstein como condição necessária ao equilíbrio térmico da radiação com a matéria. Einstein descobriu, através de considerações teóricas, que não apenas um átomo absorve um fóton (a partícula de luz) incidente e o reemite ao acaso após certo tempo (emissão espontânea), mas que também este mesmo átomo deve reemitir seu fóton absorvido se um segundo fóton interage com ele. O fóton reemitido tem a mesma frequência do fóton que o estimulou e, igualmente importante, tem a mesma fase.

Um laser funciona desde que se consiga excitar um número mínimo de átomos de determinado material para um nível de energia superior, de modo a se obter uma inversão de população (quando existem mais átomos excitados do que átomos no estado fundamental). Quando isso ocorre, a emissão espontânea de fótons, que acontece naturalmente a todo tempo, é amplificada pelos átomos vizinhos, que vão emitir fótons estimulados pelos primeiros.

Estes fótons, por sua vez, estimulam a emissão de outros, num efeito cascata. Para que tudo isso funcione, entretanto, é necessária uma realimentação, ou seja, sempre manter fótons emitidos estimuladamente interagindo com os átomos. Isso é obtido com uma cavidade óptica, uma região do espaço em que se confina luz por algum tempo com o uso de espelhos altamente refletores e convenientemente alinhados. Entretanto, para se compreender perfeitamente um laser, faz-se necessário o uso da mecânica quântica.


Tipos de Laser:

Lasers de gás

Lasers químicos

Excimer lasers

Lasers de estado sólido

Fiber


Utilizações do laser:

Por suas propriedades especiais, o laser é hoje utilizado nas mais diversas aplicações:

Médicas (cirurgias), industriais (cortar metais, medir distâncias), pesquisa científica (pinças ópticas, hidráulica, física atômica, óptica quântica, resfriamento de nuvens atômicas, informação quântica), comerciais (comunicação por fibras ópticas, leitores de códigos de barras), e mesmo todos os dias em nossas casas (aparelhos leitores de CD e DVD, laser pointer usado em apresentações com projetores).

É produzido por materiais como o cristal de rubi dopado com safira, mistura de gases no caso do hélio e neônio, dispositivos de estado sólido como diodos laser, moléculas orgânicas como os laser de corante.

No uso industrial o laser de CO2 vem cada dia mais sendo utilizado, sendo hoje essencial. Muito competitivo por ser um processo rapido para o corte e solda de diversos materiais com muita agilidade devido as maquinas que utilizam o laser serem CNC.


Propriedades do Laser

Comprimento de Onda:

Depende do material que emite luz, do sistema optico e da forma de energizá-lo.

Exemplos: Fluoreto de argônio (UV) 193 nm Fluoreto de criptônio (UV) 248 nm Cloreto de xenônio (UV) 308 nm Nitrogênio (UV) 337 nm Argônio (azul) 488 nm Argônio (verde) 514 nm Hélio-neônio (verde) 543 nm Hélio-neônio (vermelho) 633 nm Corante Rodamina 6G (ajustável) 570-650 nm Rubi (CrAlO3) (vermelho) 694 nm Nd:Yag (NIR) 1.064 nm Dióxido de carbono (FIR) 10.600 nm


Potência de Saída

Gás Hélio-Neônio (dezenas de "mW")
Dióxido de carbono (centenas de "kW" em feixe contínuo)
Coerência
Feixe coerente / Estão em fase.
Devem ter o mesmo Sinal.
A coerência é necessária para algumas aplicações.
Eficiência
De 20% a 0,001%.
A eficiência é importante para sistemas com grande potência.
Intensidade de Potência
Da ordem de 10^16 W/cm² (baixa divergência).



A FICÇÃO CIENTÍFICA E OS RAIOS LASER


Até que se atingissem os primeiros resultados práticos dos estudos científicos sobre os raios laser, o assunto estava restrito á ficção científica, relacionado a "armas laser". Com efeito, armas de raio são um tipo de arma de energia dirigida e constituem-se num acessório clássico e difundido da ficção científica. Podem apresentar vários nomes, como raio da morte, raio de calor, desintegrador, arma laser etc, cumprindo o papel genérico de armas nos cenários de várias histórias. No entanto,até o presente momento, todas as armas de raio são fictícias.

Histórico

Um dos exemplos mais antigos do uso ficcional deste dispositivo é o Raio de Calor da Guerra dos Mundos de H. G. Wells, publicada em 1898. A partir da década de 1920, os "raios da morte" tornaram-se as armas favoritas dos escritores. Em obras antigas de FC, as armas de raios emitiam luzes brilhantes e faziam barulho como se fossem relâmpagos ou grandes arcos elétricos. Quando o laser foi inventado em 1960, e tornou-se uma realidade industrial, os raios da morte genéricos da ficção tornaram-se "lasers". Todavia, em fins dos anos 1960 tornou-se evidente que os lasers como armas eram bastante limitados e termos menos específicos como "phaser" (em "Jornada nas Estrelas") ou "desintegrador" (em "Star Wars") passaram a ser utilizados.


Tipos

O raio disparado por tais armas é apresentado diversamente em cada cenário. Pode ser um laser, um feixe de partículas, plasma ou algum tipo de energia que não existe no mundo real ou que não é definida. Em algumas histórias de ficção científica, armas de raio são usadas como maçaricos para cortar metal; em outras (notadamente em "Star Trek"), armas de raio possuem um modo de fogo que pode atordoar o alvo em vez de matá-lo.

Armas de raio, além dos diversos nomes, podem se apresentar em vários tamanhos e formatos de acordo com a imaginação dos escritores de histórias e dos fabricantes de adereços para cinema: pistolas, rifles; peças instaladas em veículos; artilharia embarcada em espaçonaves, bases espaciais ou montada num planeta ou asteróide. O formato de pistola é o mais comum.

A maioria das pistolas de raio possui um cabo e um gatilho convencionais, embora essa não seja a norma no universo de "Star Trek". Usualmente, o formato de algumas armas de raio parece ser influenciado pela opinião de que sua eficiência estaria ligada à sua semelhança com armas de verdade.


Ficção X Realidade

A maioria das armas de raio não se comporta como lasers ou feixe de partículas convencionais:

O raio viaja a uma velocidade inferior a da luz;

O raio pode ser visto longe do seu eixo, o que não poderia acontecer no espaço, onde não há nada para ser iluminado pelo raio.
Recuo visível do cano da arma. Isto somente poderia ocorrer com uma arma de partículas e somente se a velocidade de saída da boca da arma vezes o peso das partículas disparadas equivalesse ao de uma bala disparada por uma arma de fogo.
O raio tem poder para evaporar completamente um homem (e seu equipamento) que é atingido por ele.
Em muitos cenários de ficção científica, as leis da física e a natureza da matéria e da energia são diferentes daquelas do mundo real (por exemplo, a física Minovsky do universo Gundam).

Com a tecnologia presente, a quantidade de energia necessária para fazer funcionar dispositivos como aqueles citados em livros e vistos em filmes, está teoricamente além da capacidade de qualquer dispositivo portátil. Armas de energia existentes hoje são grandes e desajeitadas, e versões portáteis mal têm potência suficiente para serem consideradas armas.
Muitas delas necessitam de materiais inexistentes para serem construídas.

Armas de raio reais?

Desenvolvimentos recentes no mundo real em armas laser produziram peças de artilharia que poderiam ser descritas como armas de raio, embora não o sejam (ver eletrolaser). Todavia, lasers reais podem provocar danos; alguns são potentes o suficiente para abrir buracos em aço.

* A Universidade da Califórnia é uma instituição de ensino superior dos Estados Unidos da América mantida pelo Estado da Califórnia. Possui diversos campus espalhados pelo estado, como os de Los Angeles (UCLA), Berkeley (UC Berkeley), San Diego (UCSD), Davis, Irvine, Merced, Riverside, São Francisco, Santa Cruz e Santa Barbara. Possui um total de 10 campi, e emprega mais vencedores do Prêmio Nobel do que qualquer outra instituição de ensino superior no mundo.

A Universidade de Berkeley (UC Berkeley), foi fundada em 1868, é uma extensão da Universidade da Califórnia (UC), em Berkeley, situada no estado da Califórnia, nos Estados Unidos.