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O raio laser

É a materialização da teoria dos quanta, que explica a natureza da luz, Já se tornou uma preciosa ferramenta em vários campos de atividade, mas ainda se espera descobrir muitas outras utilidades para ele

Numa manhã da primavera de 1951, um jovem professor de Física caminhava por uma das avenidas de Washington, nos Estados Unidos. Ele estava na cidade participando de um seminário e, enquanto aguardava que o café fosse servido, sentou-se em um dos bancos da praça Franklin, no ditando sobre um problema que há muito o preocupava: como conseguir a emissão de ondas ultracurtas de uma freqüência mais alta do que as válvulas de rádio eram capazes de gerar. Ele acreditava que essa radiação seria de extraordinário valor para a medição e a análises físico-químicas.

O jovem professor era Charles Hard Townes, nascido em Greenville, Carolina do Sul, no dia 28 de julho de 1915. Ele se formara na Universidade de Duke, em sua terra natal, e obteve o título de doutor em um Instituto de tecnologia da Califórnia, em 1939. Durante a segunda Guerra Mundial, trabalhou nos laboratórios Bell com alguns dos melhores técnicos de sua área, ocupando-se especialmente com sistemas de radar de microondas.

 

Em 1951, Townes era professor na universidade de Columbia, em Nova York. Suas meditações naquele banco de praça, em Washington, levaram-no às idéia que haviam sido sugeridas em 1917 por Albert Einstein. O criador da Teoria da Relatividade havia publicado, naquele ano, um estudo sobre o efeito amplificador que se poderia obter em uma emissão estimulada de radiações. Até então um, todas as emissões que o homem conseguia produzir eram as ondas de rádio – demasiado largas para as experiências – eu trabalho de a Einstein sobre elas é apenas teórico.

Townes imaginava que seria possível converter em radiações as vibrações das moléculas encerradas em uma caixa de ressonância, ou algo parecido, e que tal radiação estimulada poderia ser reforçada. Mas quando chegou ao seminário e expôs as idéias que remoera naquela manhã, na praça, mereceu pouca atenção. Longe de desanimar, o jovem cientista levou um problema para ser discutido com seus alunos na Universidade de Columbia e lá começou a fazer testes com diferentes fontes de radiação molécula. Depois de três anos teve os primeiros resultados com gás de amoníaco cujas moléculas chegavam a vibrar 24 bilhões de vezes por segundo, o que tornava suscetíveis de converter-se em ondas de 2 mm em meio de comprimento. Dirigindo sobre as moléculas o adequado estímulo eletromagnético, Townes o seguiu a uma avalanche de elétrons que ampliavam consideravelmente e o original.

Como contou o próprio Townes, foi das discussões com seus alunos de Columbia que saiu todo um vocabulário de novas siglas. ” Escolhemos”, ele diz, “o nome maser por microwave amplification by simulated emission of radiation (amplificação de microondas por emissão de radiação estimulada). Também propusemos, até por brincadeira, iraser, de infrared amplification (amplificação infravermelha), laser de light amplification by stimulated emission of radiation (amplificação de luz por emissão estimulada de radiação) e xaser (amplificação de raios X). Apenas maser e laser prosperaram.

 

O Maser revelou aos poucos sua maravilhosa utilidade, superando os mais refinados amplificadores de rádio e se habilitando para as comunicações astronômica e para a detecção das demissões estelares de rádio. Nos mesmos anos em que Townes assentava os princípios do maser, o físicos soviéticos Aleksandro Mikhaylovich Prokhorov e Nicolai Gennadiyevich Basov chegavam a resultados semelhantes em Moscou. Ambos dividiram com o americano o prêmio Nobel de Física de 1964 por suas descobertas. O caminho das pesquisas estava agora aberto para todos.

Townes continuava pensando que depois das microondas sonoras se poderia chegar também às ondas infinitamente menores de luz. Seu amigo Arthur Schuwlow, quer trabalhar nos Laboratórios Bell, elaborou a uma solução teórica para o problema de construir a câmara apropriada para ressoar freqüência tão altas. Ambos publicaram em 19581 um artigo em que apresentavam essas idéias. O texto desencadeou um grande interesse em torno da construção de instrumento que se conheceria como laser.

Xá primeira solução prática foi apresentada em 1970 por um físico americano que trabalhava no laboratório da companhia Hughes de Aviação, chamado Theodore Harold Maiman. Nascido em Los Angeles, Califórnia, no dia 11 de julho de 1927, Maiman pagara seus próprios estudos na Universidade do Colorado trabalhando como eletricista e mais tarde e fez seu doutoramento na Universidade de Stanford, também na Califórnia. Em vez de um gás como o amoníaco, Maiman entregou um cilindro de rubi sintético, ao qual acrescentou impurezas de cromo. Os extremos do cilindro tinham sido cuidadosamente polidos para funcionar como espelhos. Um feixe de luz rodeava o cilindro de rubi e ao se acender produzia o estímulo: o rubi disparava um breve e muito intenso raio laser. Um grupo de pesquisadores dos Laboratórios Bell desenhou, em 1961, outro modelo de l de com uma mistura de hélio e gás néon e muito depressa começaram a aparecer outras variações em torno do tema, empregando átomos e moléculas diferentes, assim como distintas fontes de energia para estimulá-los em algo parecido com uma caixa de espelhos.

 

O nome laser, a partir de então, adquiriu uma e extraordinária repercussão pública, associado na imaginação popular às aventuras da ficção científica. A rigor, ele é uma potente ferramenta. Como a alavanca, a roldana, o plano inclinado, que aproveitam a força da gravidade e da inércia para amplificar a potência dos músculos, o laser faço o uso da força duas átomos e moléculas para amplificar a potência da radiação.

Pelo menos neste século, a luz tem sido o principal tema de investigação da Física. Em torno dela construiu- se uma das mais complexas e ousadas teoria – a da Mecânica Quântica. Ela afirma o aparente paradoxo de que a luz é, ao mesmo tempo, uma coisa (partículas, chamadas fótons) eu um processo (ondas). Esse duplo papel da luz é que tornou possível o laser – na verdade, uma materialização e da teoria dos quanta.

O laser nada mais fez do que tornar coerente, de coordenada, a natureza ondulatória da luz. As sondas que se produzem na água, quando nela atiramos um objeto, provocam ondas de retorno quando batem nas margens do lago ou tanque onde fazemos a experiência. Se as duas ondas são coerentes, quer dizer, atingem seu ponto mais alto ao mesmo tempo, elas se reforçam. É isso que o laser faz com as ondas de luz.

A natureza quântica da luz reside no fato de que os átomos não emitem e energia em forma contínua, mas em pequenos blocos, os quanta. Quando se bombardeia um átomo com energia e externa, um de seus elétron absorve um fóton e, graças a ele, salta para uma órbita superior; ao contrário, quando o átomo perde e energia, o elétron emite um fóton e desce para a órbita inferior. O laser estimula um número de elétrons a subir para a órbita superior; quando desce, eles emitem luz em uma mesma freqüência e, exata, que é seguidamente refletida nos espelhos de cristal do aparelho. Isso faz crescer o nível da energia até ela conseguir atravessar a parede dos espelhos e aparecer no exterior, muito mais forte do que quando lá entrou.

Essa notável propriedade permitiu, por exemplo, medir a distância entre a Terra e a Lua com um erro de apenas 2 centímetros. Usando um refletor especial abandonado na Lua pelos astronautas da Apolo XIV, o observatório de Lure, no Havaí, emitiu um raio laser que levou dois segundos e meio para ir até lá e voltar, refletido à Terra, permitindo a medição. Outra grande vantagem do laser é sua cor puríssima e monocromática. Seu feixe muito estreito tem um paralelismo excepcional (ao contrário de uma lanterna,por exemplo, cujo feixe de luz mais se alarga quanto mais longe é dirigida). Por causa de suas características únicas é que o laser aperfeiçoa técnicas já existentes e abre uma vasta gama de usos ainda nem imaginados pelo homem. Ele já se tornou uma ferramenta insubstituível nas telecomunicações, na medicina, na industria, na arte – ocupa cada vez mais espaço em shows de música, dança e teatro – e em praticamente todos os campos da atividade humana onde haja necessidade de furar, soldar, iluminar, medir com precisão ou calibrar.

 

 

Para Saber mais:

O mundo maravilhoso da tecnologia moderna – Lasers, William Borroughs, Circulo do Livro, São Paulo, 1987