Lasers e aplicações

Lasers de rubi

Um laser de rubi consiste de um tubo de flash (o que você encontra em uma máquina fotográfica),
um bastão de rubi e dois espelhos (um deles semiprateado). O bastão de
rubi é o material gerador do laser, e o tubo de flash é o que o
"bombardeia".

1. O laser no estado em que não gera emissões

2. O tubo de flash dispara e injeta luz no cilindro de rubi. A luz excita os átomos do rubi.

3. Alguns desses átomos emitem fótons

4. Alguns desses fótons correm em uma direção paralela ao eixo do rubi, constantemente rebatendo nos espelhos. Enquanto eles passam pelo cristal, estimulam a emissão em outros átomos.

5. Luz monocromática, monofásica e alinhada sai do rubi através do semi-espelho: luz do laser!

Laser de três níveis

Veja o que ocorre em um laser de verdade, de três níveis:

Tipos de laser

Existem vários tipos de laser. O material gerador do laser pode ser sólido, gasoso, líquido ou semicondutor. Normalmente o laser é designado pelo tipo de material empregado na sua geração:

• Lasers de estado sólido
  possuem material de geração distribuído em uma matriz sólida (como o
  laser de rubi ou o laser Yag de neodímio:ítrio-alumínio-granada). O
  laser neodímio-Yag emite luz infravermelha a 1.064 nanômetros (nm). Um
  nanômetro corresponde a 1×10^-9 metro.
• Lasers a gás
  (hélio e hélio-neônio, HeNe, são os lasers a gás mais comuns) têm como
  principal resultado uma luz vermelha visível. Lasers de CO2 emitem energia no infravermelho com comprimento de onda longo e são utilizados para cortar materiais resistentes.
• Lasers Excimer (o nome deriva dos termos excitado e dímeros)
  usam gases reagentes, tais como o cloro e o flúor, misturados com gases
  nobres como o argônio, criptônio ou xenônio. Quando estimulados
  eletricamente, uma pseudomolécula (dímero) é produzida. Quando usado
  como material gerador, o dímero produz luz na faixa ultravioleta.
• Lasers de corantes
  utilizam corantes orgânicos complexos, tais como a rodamina 6G, em
  solução líquida ou suspensão, como material de geração do laser. Podem
  ser ajustados em uma ampla faixa de comprimentos de onda.
• Lasers semicondutores,
  também chamados de lasers de diodo, não são lasers no estado sólido.
  Esses dispositivos eletrônicos costumam ser muito pequenos e utilizam
  baixa energia. Podem ser construídos em estruturas maiores, tais como o
  dispositivo de impressão de algumas impressoras a laseraparelhos de CD. ou

Qual é o seu comprimento de onda?

Um laser de rubi (ilustrado anteriormente) é um laser de estado
sólido e emite luz com um comprimento de onda de 694 nm. Outros meios
geradores podem ser selecionados levando-se em conta o comprimento de
onda de emissão desejado (veja tabela abaixo), a energia necessária e a
duração do pulso. Alguns lasers são muito poderosos, tais como o laser
de CO2, que pode cortar o aço. O motivo do laser de CO2
ser tão perigoso é que ele emite luz laser na região infravermelha e de
microondas do espectro. Radiação infravermelha é calor, e esse laser
basicamente consegue derreter qualquer coisa para a qual seja apontado.

Outros lasers, como os lasers de diodo, são muito fracos e são
utilizados nos modernos apontadores a laser de bolso. Esses lasers
costumam emitir um raio vermelho de luz que tem comprimento de onda
entre 630 nm e 680 nm. Os lasers são utilizados na indústria e na área
de pesquisa para fazer muitas coisas, o que inclui o uso de luz laser
intensa para excitar outras moléculas e poder observar o que acontece
com elas.
Eis alguns dos lasers mais comuns e seus comprimentos de onda de emissão:

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

Classificações do laser

Sinal de alerta laser

Os lasers são classificados em quatro grandes áreas, conforme seu potencial de provocar danos biológicos. Todo laser deve portar um rótulo com uma das quatro classes descritas abaixo.

• Classe I – esses lasers não emitem radiação com níveis reconhecidamente perigosos.
• Classe I.A.
  – essa é uma designação especial aplicada somente aos lasers que "não
  devem ser vistos", tais como a leitora de preços a laser de um
  supermercado. O limite superior de energia da Classe I.A. é de 4 mW.
• Classe II
  – esses são lasers visíveis de baixa energia que emitem acima dos
  níveis da Classe I, mas com uma energia radiante que não ultrapasse 1
  mW. A idéia é que a reação de aversão à luz brilhante inata nos seres
  humanos irá proteger a pessoa.
• Classe IIIA – esses são
  lasers de energia intermediária (contínuos: 1-5 mW) e são perigosos
  somente quando olhamos na direção do raio. A maioria dos apontadores a
  lasers se encaixa nesta classe.
• Classe IIIB – são os lasers de energia moderada.
• Classe IV – composta pelos lasers de alta energia (contínuos: 500 mW, pulsados: 10 J/cm²
  ou o limite de reflexão difusa). São perigosos para a visão em qualquer
  circunstância (diretamente ou espalhados difusamente) e apresentam
  provável risco de incêndio e risco à pele. Medidas significativas de
  controle são requeridas em instalações que contêm laser Classe IV.

Há mais de 20 anos, os Estados Unidos
começaram a desenvolver um sistema de defesa contra mísseis que ganhou o
apelido de "Guerra nas Estrelas". Esse sistema foi projetado para
rastrear e derrubar mísseis lançados por países estrangeiros utilizando lasers. Embora esse sistema tenha sido projetado para a guerra,
os pesquisadores encontraram muitos outros usos para esses lasers de
alta potência. Na verdade, eles poderiam até mesmo ser usados para
colocar uma nave espacial em órbita e chegar a outros planetas.

Foto cedida pelo Rensselaer Polytechnic Institute. Modelo experimental de nave de luz movida a laser

Para alcançar o espaço, atualmente, utilizamos o ônibus espacial,
que tem que carregar toneladas de combustível e possuir dois enormes
foguetes propulsores atrelados a ele para tirá-lo do chão. Os lasers
poderiam permitir que os engenheiros desenvolvessem espaçonaves mais
leves, que não precisariam de uma fonte de energia a bordo. Esse
veículo, chamado de nave de luz, funcionaria ele mesmo como motor, e a luz – uma das fontes de energia mais abundantes do universo – seria o combustível.

Foto cedida pela Rensselaer. Nave de luz em ação. A luz brilhante deriva da combustão do ar sob a borda da nave.

A
idéia básica por trás do propulsor de luz é o uso de lasers para
aquecer o ar até ele explodir, impelindo a espaçonave para a frente. Se
funcionar, o propulsor de luz terá menos de um milésimo do peso e será
milhares de vezes mais eficiente do que os motores químicos de foguetes -
e não haverá produção de poluição. Neste artigo, veremos duas versões
desse sistema avançado de propulsão – um deles poderá nos levar até a
lua em apenas cinco horas e meia, e o outro poderá nos levar em uma
viagem pelo sistema solar na "auto-estrada de luz".

Nave de luz propulsionada a laser

Foguetes propulsionados a luz lembram alguma coisa relativa à ficção
científica – uma nave espacial que passeia no espaço sobre um feixe de
laser, que precisa de pouco ou nenhum propelente a bordo e não cria
poluição. Isso parece bastante artificial, considerando que não
conseguimos desenvolver nada que chegasse perto disso na Terra para
viagens convencionais, tanto terrestres quanto aéreas. Mas, mesmo que
isso só vá acontecer dentro de 15 a 30 anos, os princípios por trás da
nave de luz já foram testados com êxito várias vezes. Uma empresa
chamada Lightcraft Technologies (em inglês) continua a refinar a pesquisa que começou no Rensselaer Polytechnic Institute em Troy, N.Y.

Foto cedida pela Rensselaer Quando o laser pulsa, ele superaquece o ar até chegar à combustão. Cada vez que o ar queima, ele cria um brilho de luz, como se pode ver nesta foto de um vôo de teste.

A
idéia básica da nave de luz é simples: a nave usa espelhos para receber
e focalizar o feixe de laser incidente para aquecer o ar, o qual
explode para impelir a nave. Veja abaixo os componentes básicos desse
revolucionário sistema de propulsão:

• laser de dióxido de carbono
  - a Lightcraft Technologies usa um Sistema de Teste de Vulnerabilidade
  de Laser Pulsado (PLVTS), um descendente do programa de defesa "Guerra
  nas Estrelas". O laser pulsado de 10 kW usado para a nave de luz
  experimental está entre os mais poderosos do mundo.
• espelho parabólico - o fundo da espaçonave é um espelho que focaliza
  o feixe do laser sobre o ar do motor ou propelente a bordo. Um espelho
  secundário parecido com um telescópio, com transmissor baseado em terra,
  é usado para direcionar o feixe do laser sobre a nave de luz.
• câmara de absorção - o ar de entrada é direcionado para essa câmara, onde é aquecido pelo feixe, se expande e propulsiona a nave.
• hidrogênio a bordo
  – uma pequena quantidade propelente de hidrogênio é necessária para
  empuxo do foguete quando a atmosfera é muito fina para fornecer ar
  suficiente.

Antes do lançamento, um jato de ar comprimido é
usado para girar a nave de luz a aproximadamente 10.000 revoluções por
minuto (RPMs). O giro é necessário para estabilizar o artefato
giroscopicamente. Imagine esta situação no futebol americano: o zagueiro
aplica um giro na bola quando faz o arremesso, para ter um passe mais
preciso. Quando o giro é aplicado a essa nave extremamente leve, ele faz
que ela atravesse o ar com maior estabilidade.
Quando a nave de
luz está girando a uma velocidade adequada, o laser é ligado,
impulsionando a nave no ar. O laser de 10 kW pulsa a uma taxa de 25-28
vezes por segundo. Pulsando, o laser continua a empurrar a nave para
cima. O feixe de luz é focalizado pelo espelho parabólico no fundo da
nave de luz, aquecendo o ar entre 9.982 e 29.982ºC – várias vezes mais
quente do que a superfície do Sol.
Quando se aquece o ar a essas temperaturas altas, ele é convertido em
um estado de plasma – esse plasma, então, explode para propulsionar a
nave para cima.
A Lightcraft Technologies, Inc., com patrocínio do FINDS, e financiado pela NASA (em inglês) e pela Força Aérea Americana, testou um pequeno protótipo da nave várias vezes no lançador de mísseis White Sands,
no Novo México. Em outubro de 2000, a nave de luz em miniatura, com
diâmetro de 12,2 cm e pesando apenas 50 g, atingiu uma altitude de 71 m.

Essa nave de luz movida a laser poderia também usar espelhos,
localizados na nave, para projetar um pouco da energia concentrada à
frente da nave. O calor do feixe de laser criaria uma ponta de ar que
desviaria algum ar atrás da nave, diminuindo assim o arrasto e reduzindo
a quantidade de calor absorvida pela nave de luz.

Nave de luz propulsionada por microondas

Outro sistema de propulsão que está sendo considerado para uma classe
diferente de naves de luz envolve o uso de microondas. A energia da
microonda é mais barata que a do laser e torna mais fácil obter
potências maiores, mas exige uma nave com diâmetro maior. As naves de
luz a serem projetadas para esse tipo de propulsão se pareceriam mais
com discos voadores (agora, estamos mesmo entrando no mundo da ficção
científica). Essa tecnologia levará mais tempo para ser desenvolvida do
que a nave de luz propelida a laser, mas poderá nos levar a planetas
distantes. Os pesquisadores que a desenvolvem também visualizam milhares
dessas naves movidas a luz, alimentadas por uma frota de estações de
energia em órbita, que substituirão as viagens com linhas aéreas
convencionais.

Foto cedida pela NASA A nave de luz movida a microondas dependerá de estações de energia em órbita

A
nave de luz movida a microondas também utilizará uma fonte de
energia não integrada à nave. Com o sistema de propulsão movido a laser,
a fonte de energia fica baseada em terra. O sistema de propulsão a
microondas contornará isso. A nave espacial propelida a microondas
dependerá da energia fornecida por estações de energia solar em órbita.
Em vez de ser propelida para longe de sua fonte de energia, a nave será
atraída por ela.
Antes que essa nave  possa voar, os cientistas terão que colocar em órbita uma estação de energia solar de 1 km de diâmetro. Leik Myrabo,
que lidera as pesquisas sobre naves de luz, acredita que essa estação
de energia poderia gerar até 20 gigawatts de potência. Orbitando a 500
km acima da Terra, essa estação de energia poderia fornecer energia de
microondas para uma nave de luz em forma de disco de 20 m, capaz de
transportar 12 pessoas. Milhões de pequenas antenas, cobrindo a parte de
cima da nave, converteriam as microondas em eletricidade. Em apenas
duas órbitas, a estação de energia seria capaz de acumular 1.800
gigajoules de energia e irradiar 4,3 gigawatts de potência para a nave
fazer o passeio pela órbita.
A nave movida a microondas seria
equipada com dois ímãs poderosos e três tipos de motores de propulsão.
As células solares, cobrindo a parte superior da nave, seriam usadas por
ela, no lançamento, para produzir eletricidade. A eletricidade, então,
iria ionizar o ar e propelir a nave para pegar os passageiros. Uma vez
lançada, a nave movida a microondas usaria seu refletor interno para
aquecer o ar a sua volta e ultrapassar a barreira do som.
Quando
atingisse uma altitude elevada, inclinaria de lado para atingir
velocidades hipersônicas. Metade da potência da microonda poderia,
então, ser refletida à frente da nave para aquecer o ar e criar uma
ponta de ar, permitindo à nave atravessar o ar a até 25 vezes a
velocidade do som e atingir a órbita. A velocidade máxima da nave
chega a cerca de 50 vezes a velocidade do som. A outra metade da
potência da microonda é convertida em eletricidade pelas antenas
receptoras da nave, sendo usada para energizar seus dois motores
eletromagnéticos. Esses motores, então, aceleram a pressão negativa ou o
ar que flui em volta da nave. Acelerando a pressão negativa, a nave é
capaz de cancelar qualquer ruído sônico, fazendo com que ela fique
completamente silenciosa em velocidades supersônicas.