FÍSICA MODERNA 3 0 LASER Prof. Cesário

1 - INTRODUÇÃO O raio laser é uma radiação eletromagnética que pode ser visível ou não ao olho humano. Laser é um anagrama da frase “light amplification by stimulated emission of radiation”, cuja tradução é “amplificação da luz por emissão estimulada por radiação”. O laser é uma luz monocromática, coerente e colimada. O laser tem inúmeras aplicações: em cirurgias médicas e dentárias, em pesquisas científicas, na holografia, nos leitores de CD e DVD como também no laser pointer utilizado para apresentação de slides. No comércio e nos bancos o laser é usado como leitor ótico.Na indústria o laser de dióxido de carbono tem sido muito utilizado, pois possibilita um processo rápido e preciso de corte e solda de materiais. Não se deve confundir o laser com o efeito fotoelétrico. No efeito fotoelétrico, elétrons são liberados do átomo, enquanto que no laser há uma emissão de fótons.

Neste novo nível o elétron fica algum 2 – EMISSÃO ESPONTÂNEA Quando um fóton atinge um elétron, se o fóton tem energia (hf = En2 – En1) suficiente, o elétron absorve o fóton e salta para um nível mais afastado do núcleo (nível de maior energia). Neste novo nível o elétron fica algum tempo, que em geral é muito pequeno (cerca 10 ns). Após esse tempo, ele retorna ao seu nível natural e emitindo um novo fóton de mesma freqüência que a do fóton absorvido. Esse comportamento do elétron é conhecido como emissão espontânea. Na emissão espontânea não há previsão de fase e direção do fóton emitido.

Há átomos dotados de uma particular estrutura de níveis energéticos, 3 –EMISSÃO ESTIMULADA Há átomos dotados de uma particular estrutura de níveis energéticos, tal que a excitação acarreta uma situação menos instável. Uma vez excitado, o átomo pode manter esse estado por lapsos de tempo muito superiores a 10 nanosegundos: milionésimos, milésimos, alguns segundos ou mesmo horas. Tais níveis são chamados metaestáveis. Para o efeito laser empregam-se, na prática, átomos dotados de níveis metaestáveis de energia, como átomos de cromo existentes em cristais de rubi, átomos de argônio, dióxido de carbono, entre outros.

A energia do fóton é igual à energia que excitou o elétron. Na emissão estimulada, um fóton incidente encontra um elétron excitado. A energia do fóton é igual à energia que excitou o elétron. Assim, numa espécie de ressonância, o elétron emite um segundo fóton com a mesma direção, freqüência, fase e polarização do fóton incidente. Para cada átomo existe um fóton antes e dois no final do processo. Chega um fóton e saem dois Fótons de mesma freqüência, mesma direção, em fase Movimento com Velocidade normal Movimento com Velocidade reduzida

A quantidade de átomos em estados excitados é relativamente pequena quando comparada com o número total de átomos. No caso de um gás, a quantidade de átomos excitados no estado com energia Ei é dado por: Função de distribuição de Maxwell-Boltzmann T – temperatura na escala Kelvin ni = A.e -Ei kT ni – número de átomos excitados no estado com energia Ei k = 8,617 x 10-5 eV/K = 1,38 x 10-23 J/K constante de Boltzmann A – constante determinada pelo nº de moléculas do gás. e = 2,71828 A constante A depende das condições de temperatura, volume e pressão a que está submetido o gás.

Tomando, por exemplo, um gás onde a diferença entre o nível do estado excitado (Eex) e um estado fundamental (Ef) é 2,0 eV, à temperatura de 2000 K, o percentual de átomos excitado será: nex A.e nf A.e -Eex/kT -Ef/kT = = e -(Eex – Ef)/ kT = e-2/8,617x10 x 2000 -5 = e-11,6 = 9,16 x 10-6 = 0,000916% Pelo que se pode ver, o percentual de átomos excitados é muito pequeno. É necessário então utilizar um processo para estimular um maior número de átomos de modo a obter uma quantidade elevada de átomos excitados. Procura-se fazer com que o número de átomos excitados ultrapasse o número de átomos no estado fundamental. Isto chama-se inversão de população. Esta inversão de população faz com que o feixe de laser emitido tenha energia superior à energia absorvida. Usando luz, isto é praticamente impossível pois seria necessário um feixe de alta intensidade.

4 – LASER DE GÁS HÉLIO-NEÔNIO Em um tubo munido de dois eletrodos é colocada uma mistura de gás hélio com gás neônio sob pressão na faixa de 10-3 atm. Esquema de um tubo laser hélio-neônio.

Aplicando uma voltagem suficientemente alta provoca-se uma descarga elétrica no gás. As colisões entre átomos ionizados e elétrons da corrente da descarga excitam átomos de hélio para diversos níveis de energia. Nestas condições a emissão do fóton é praticamente impossível e deste modo a vida média torna-se muito longa (estado metaestável). Átomos excitados de hélio, podem perder energia ao colidir com átomos de neônio que estavam no estado fundamental, excitando o neônio. Estes átomos de hélio retornam ao estado fundamental. O neônio então emite os fótons pelo processo de estimulação. Estes fótons movem-se no interior do tubo várias vezes para a frente e para trás devido aos espelhos enquanto uma parte sai pelo espelho da frente. Assim, é emitido um feixe de laser cujos fótons têm comprimento de onda igual a 6328 A.

Esta é uma foto do filme “Guerra nas Estrelas” onde uma nave explode outra nave inimiga usando laser. No filme, você vê o raio de laser e ouve a explosão da nave inimiga. Quais são os erros nessa foto e na cena do filme? Foto de raio laser a gás hélio-neônio. catodo anodo Tubo de gás espelhos

Fótons do flash estimulam 5 – LASER DE RUBI Flash Fótons do flash estimulam a emissão de fótons de elétrons já excitados. Elétrons excitados Esquema de um Laser de rubi Espelho 100% refletor Rubi sintético Espelho 95% refletor O comprimento de onda dos fótons do laser de rubi é de 694,3 nanômetros.

Qualquer que seja o tipo de laser, o fundamento é o mesmo. 6 - COMPLEMENTOS Qualquer que seja o tipo de laser, o fundamento é o mesmo. - Estimulação de elétrons já excitados por fótons de mesma energia que excitou o elétron. O que modifica nos diferentes tipos de laser é a fonte de fótons usada para estimular a emissão de fótons pelo elétron e o material que pode apresentar elétrons metaestáveis. De acordo com a energia dos fótons estimuladores teremos feixes de variadas cores. A tabela mostra alguns tipos de laser. Tipo cor Comp.onda (nm) Fluoreto de argônio Ultra-violeta 193 Hélio-neônio verde 543 Fluoreto de criptônio 248 vermelho 633 Cloreto de xenônio 308 Corante rodamina 6G ajustável 570-650 Nitrogênio 337 Rubi (CrAIO2) 694 Argônio azul 488 Nd:Yag (NIR) infravermelho 1064 514 Dióxido de carbono 10600

EXERCÍCIOS 1 – A figura ao lado mostra os níveis de energia de um átomo de neônio. Muitos átomos estão em equilíbrio térmico (estão no mesmo estado excitado). Qual é a razão entre o número de átomos no estado 5s e número de átomos excitados no estado 3p nas temperaturas (a) 300 K (b) 1000 K (c) 5000 K. 5s 20,66 ev 4p 20,30 ev 4s 19,78 eV 3p 18,70 eV 3s 16,70 eV 2p 0 estado fundamental Respostas: (a) 1,18 x 10-33 (b) 1,32 x 10-10 (c) 1,06 x 10-2 2 – Usando a figura ao lado calcule a diferença de energia entre os estados 3p e 3s do neônio. Calcule o comprimento de onda de um fóton que possui essa energia. Resposta: 2,00 eV; 620,4 nm 3 – Um feixe de laser de argônio (azul) tem potência 8,5 x 10-2 W. Se o comprimento de ondas dos fótons que constituem esse feixe é 488 nm, quantos fotos por segundo são emitidos pelo feixe? Resposta: 2,09 x 1017

4 – A figura mostra um átomo e quatro níveis de energia. Quando um elétron cai do nível 4 para o nível 3 ele emite um fóton e comprimento de onda 400 nm e quando cai do nível 3 para o nível 2 o fóton emitido tem comprimento de onda igual a 800 nm. Qual é a razão entre o número de átomos excitados no estado 4 para o número de átomos excitados no estado 2 se a temperatura do sistema é 2000 K? n = 1 n = 2 n = 3 n = 4 Resposta: 1,23 x 10-4 Baixe o arquivo “fotons_1.xls”. É um aplicativo que facilita o cálculo do número de átomos excitados e a energia de um fóton.