Funcionamento do Laser

Publicado em 14/01/2011

O LASER E SEUS PRINCÍPIOS BÁSICOS
Imaginemos a luz como um grupo de pequenos pacotes de energia chamados Fótons viajando segundo uma trajetória ondulatória, como mostrado na figura acima. Esta trajetória em forma de onda, tem uma característica importante chamada de comprimento de onda, que nada mais é do que a distância medida entre dois picos consecutivos desta trajetória. A unidade utilizada para a medição deste comprimento, é uma fração do metro - o nanômetro - que é equivalente a 0,000000001 metros.

Abaixo da faixa de luz que chamamos de visível, temos o ultravioleta, que por sua vez, é também uma faixa de luz bem ampla de comprimentos de onda. A luz ultravioleta é a responsável pelo escurecimento de nossa pele quando nos expomos ao sol. Acima da faixa de luz que chamamos de visível, temos o infravermelho, que por sua vez, é também uma faixa de luz muito mais ampla do que a faixa que conseguimos enxergar. Esta luz é a responsável pelo aquecimento que observamos na luz gerada pelos aparelhos fotopolimerizadores, e é comumente chamada de "calor".

Os Lasers nada mais são do que luzes, com características especiais na verdade, mais ainda assim simplesmente luz.

O laser é um dispositivo, feito de substâncias (gás, pedras preciosas), que geram luz quando excitadas por uma fonte de energia.

Existem muitos tipos de LASER, tais como Lasers a Gás, Lasers de estado Sólido e Lasers de Corante (Líquido), porém o princípio básico para produzir um feixe de LASER é o mesmo para todos eles.

Precisamos introduzir dois outros termos técnicos que identificam a fonte geradora do laser e a intensidade do mesmo:

Meio Ativo: é o material ou mistura de materiais que compõem o laser.

Potência : do mesmo modo que as lâmpadas residenciais são identificadas por sua potência, normalmente expressa em Watts , também utilizamos esta unidade ou uma fração dela, para identificar a potência dos Lasers.(mW - miliwatt = 0,001 watt). A última característica relevante dos Lasers é referente ao regime de funcionamento destes Lasers, isto é, existem Lasers que assim que são acionados permanecem ligados continuamente, até serem desligados. Existem outros tipos de forma pulsada, ou seja estão parte do tempo ligados e parte do tempo desligados. Nesta categoria estão geralmente os Lasers de alta potência.

O fenômeno da interferência tem muita aplicação na área da Engenharia; assim, na área da Mecânica, por exemplo, é usual estudar estados de deformações através dessa técnica.
A luz emitida por uma fonte de laser é bem "colimada" (concentrada) - difunde-se muito pouco à medida que se propaga, em contraste com a luz de uma lâmpada incandescente convencional, que emite luz num "cone amplo". O laser é também caracterizado pela sua monocromacidade, ou seja, a luz do laser é de um só comprimento de onda. No caso específico do laser He-Ne, o comprimento de onda l = 6.328 x 10-10 m (a luz comum de uma lâmpada incandescente é emitida em diversas freqüências; a monocromacidade pode ser conseguida com o auxílio de um prisma ). Esta propriedade da monocromacidade torna o laser excelente para o estudo de uma série de fenômenos, dentre os quais pode-se citar a difração e a espectroscopia.
Existem três componentes básicos no projeto de qualquer laser : (a) o meio ambiente (gás, semicondutor,..), a fonte de excitação e o ressonador (cavidade ressonante). O meio ambiente do laser diz respeito à sua espécie atômica ou molecular que define o comprimento de onda e pode ser sólido, líquido ou gás. Hoje, as "canetas" laser (diodo semicondutor) usadas para apontar figuras durante projeções são muito difundidas.



Uso de gases na produção de lasers
Um dos tipos de laser mais usados para fins didáticos é o laser de He-Ne (gás, geralmente 90% He e 10% Ne); neste tipo de laser, uma descarga elétrica passar através do gás par dar início ao processo de emissão. Os elétrons livres dessa descarga fornecem energia para excitar eletronicamente os átomos de He. Alguns dos elétrons dos átomos de He absorvem energia e passa para os estados excitados 21s e 23s. A seguir, estes átomos de He colidem com os átomos de Ne, transferindo energia para produzir átomos de Ne com elétrons nos estados 2s e 3s. Esta transferência de energia ocorre principalmente porque os estados excitados de He e do Ne são quase ressonantes, isto é, têm níveis de energia muito próximos.

O ressonador ou cavidade ressonante, ou ainda, cavidade ótica, é formado por dois espelhos localizados em cada extremidade do laser; a luz emitida ao longo do eixo do laser será refletido pelo espelho. Os fótons interagem com os átomos de Ne excitados; esta transferência, ou interação, induz os átomos de Ne a emitirem fótons em fase e na mesma direção do fóton que induziu a emissão. Quando a população de átomos de Ne em estado excitado (3s ou 2p) é maior do que os existente no nível inferior (3p ou 2p), existe uma "inversão de população".
A inversão de população ocorre quando a velocidade de preencher o estado excitado é maior do que a velocidade de despopulação naquele nível. Numa situação como esta, um fóton com a energia apropriada que passe através do meio ativo pode estimular a emissão de muito mais fótons com a mesma direção, fase e comprimento de onda. Este processo resulta num efeito de amplificação.

Existem diversos tipos de laser, dentre os quais pode-se salientar: He-Ne, semicondutor, a metal vaporizado, a corante (dye Lawer), de rubi, de Neodímio-YAG, de Neodímio-ítrio, CO2 e iônicos. Algumas características desses diversos tipos de laser podem ser analisadas na tabela da próxima página:

Características de alguns tipos de laser.



Os lasers de He-Ne, devido à sua baixa potência e conseqüente baixa periculosidade (0,1 a 10 mW), são muito utilizados para fins didáticos e em Metrologia. Lasers de Argônio são freqüentemente usados em foto-coagulação e cirurgias do olho humano. Os lasers de CO2 operam na faixa do infravermelho e são utilizados em operações industriais (corte de chapas metálicas, por exemplo). Os lasers de estado sólido são aplicados principalmente em medições (distância Terra-Lua, por exemplo), medição de RPM de motores e em sistemas militares. Os lasers de semicondutores possuem importância cada vez maior nas comunicações modernas (fibra ótica) , memórias óticas e discos-laser. Se não existisse o minúsculo diodo laser, não teria sido possível desenvolver o disc-laser.
A holografia é um campo que ocupa um espaço cada vez maior, principalmente em aplicações aplicadas ã Engenharia Mecânica (medida de deformações, principalmente).



Comportamento dos tecidos submetidos ao laser CO2
Pesquisadores do Instituto de Ciências Biomédicas (ICB) da USP vêm desenvolvendo pesquisas no sentido de conhecer o processo de regeneração dos tecidos submetidos a aplicações de laser de gás carbônico (CO2), utilizado em algumas cirurgias. As pesquisas, iniciadas na década de 80, quando o laser do tipo CO2 ainda não era utilizado em seres humanos, permitem o exame minucioso e detalhado de tecidos que passaram por processo cirúrgico com o laser. As imagens ultraestruturais são obtidas com a utilização de Microscópios Eletrônicos de Transmissão (MET) e de Varredura (MEV). "Associamos as duas modalidades de microscopia, a de transmissão e de varredura, e fomos uma das primeiras equipes a utilizar estes equipamentos na área de morfologia", explica Watanabe. Alguns resultados destes estudos foram publicados no livro Scanning Electron Microscopy Atlas of Cells and Tissues of the Oral Cavity, do professor Watanabe, patrocinado pela Fapesp e CNPq, onde podem ser vistas as imagens ultraestruturais de tecidos da mucosa oral.

Foram examinados tecidos da mucosa bucal e da pele de ratos e camundongos. Pelas imagens obtidas, verificou-se o comportamento e as vantagens da utilização do laser do tipo CO2. Segundo o professor, o laser proporciona uma cirurgia limpa, sem hemorragias. Na mucosa bucal, no primeiro dia após a cirurgia, observou-se apenas a cavidade ocasionada pela evaporação dos tecidos. Depois de 24 horas, segundo Watanabe, já foi possível observar a presença de elementos polimor-fonucleares - componentes do sangue. "No terceiro dia, visualizamos uma parede de sangue coagulado, o que evita a hemorragia", descreve o pesquisador. Na pele, o comportamento do tecido é semelhante. Porém, em ambos os casos, o professor conta que a utilização de um laser de baixa potência no local submetido ao CO2 acelera o processo de cicatrização. Os pesquisadores observaram também os resultados da ação do laser CO2 em tecidos calcificados. "Nos dentes, o laser CO2 produz uma espécie de cimento capaz de vedar fissuras, fossas e túbulos dentinários", descreve Watanabe, avaliando que a utilização poderá vir a ser eficiente no tratamento de alguns tipos de cáries.

O professor define sua pesquisa como básica, como um ponto de partida para várias outras. "Nosso trabalho é explicar o que acontece quando um tecido é submetido à aplicação do laser CO2", define. "Assim, estaremos fornecendo subsídios para novas modalidades de utilização". Segundo Watanabe, os estudos fazem parte de uma linha de pesquisa do Departamento

As mesmas ondas que revolucionaram o mundo com o rádio e a televisão, agora eliminam rugas, compactadas num minúsculo fio de laser. Não o laser que atravessa o céu nas feiras de automóveis, tão pouco os 100 tipos de ondas de laser usados para medicina. Trata-se do laser Ultra Pulse 5000 CO2, inventado em 1990 pela empresa americana Coherent. Nos Estados Unidos é febre. Aqui, começa a chegar aos hospitais e consultórios mais bem equipados do país. Mais rápido e com ondas de comprimento maior que os demais laseres do mercado, o laser de CO2 atinge camadas profundas da pele evaporando-a e fazendo-a nascer nova em folha.

Seus efeitos revolucionários têm promovido uma corrida histérica nos Estados Unidos onde, de resto, sempre há corrida histérica para qualquer novidade.

O princípio é simples: um feixe de luz finíssimo de 3 milímetros de diâmetro, com altíssima energia (500 mili Joules), atinge a pele em pulsões de um mili-segundo cada. São vários pulsões que chegam a uma profundidade de 20 microns ou 0,02 milímetros -ou o diâmetro de 3 células sangüíneas. O gás carbônico transformado em luz, é atraído pela umidade da pele, que ao mesmo tempo em que elimina tecido, queimando-o, cicatriza.

Partindo deste princípio, o laser faz uma espécie de peeling: destrói camada por camada da epiderme, derme superficial, até chegar à derme média e estimula dessa forma a produção de fibras de colágeno. O colágeno é uma proteína produzida pelos fibroblastos, e tem a função de regenerar e dar sustentação as células da pele. Sua produção diminui com o avanço da idade ou sob os efeitos do sol. O laser, chegando até a derme, estimula fabricação de colágeno fazendo com que a derme encurte. A pele fica de novo mais contraída e menos flácida.

Porém os preços não são populares - ao menos por enquanto. Áreas isoladas custam em torno de 2 mil reais e o rosto todo, cerca de 5 mil reais .Mas o tratamento realmente vale a pena pelos seus efeitos!



Quadro geral sobre o uso de laser de gás

LASER de gás
- Mais barato que os anteriores;

- Passando corrente elétrica pelo gás no tubo (~ milhares de V), os elétrons fluem através do gás e transferem parte de sua energia para os átomos. Após algum tempo: "inversão de população"

- LASER de He-Cd ? mesmo princípio do He-Ne, feixe azul

- LASER de Argônio? mais potente (indústria e pesquisa) máx: 100 w

- LASER de Criptônio? diferentes cores (shows)

- LASER de He-Ne
-->descarga excita átomos de He transferem E para os de Ne emitem luz vermelha;
-->baixa potência; feixe contínuo;
-->definição de 1 mm em diâmetro;
-->aplicações: Lab. Física - supermercados e lojas (leitura ótica) - construções (alinhamento)



Bibliografia
Enciclopédia Help!
Volume 2, Ciência e Tecnologia
Klick Editora, 1995
Sites
http://www.dentalt.com.br/atualizacao/tecnologia/artigos/tecno1.htm
http://www.derme.com.br/dicas/ultra.htm
http://ladi.sel.eesc.sc.usp.br/homero/SEL705-versao_rede/Laser2/tsld004.htm
http://orion.ufrgs.br/lmm/353_16_5.htm


Fonte:
Super Carlos HP


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