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O laser e a revolução tecnológica

Por Flávio da Costa Gonçalves

Laser (cuja sigla em inglês significa Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, ou seja, Amplificação da Luz por Emissão Estimulada de Radiação) é um dispositivo que produz radiação eletromagnética com características muito especiais como veremos mais adiante. As aplicações deste invento são inúmeras: vão desde exames médicos mais apurados, passando por pesquisas em microbiologia, e indo até o corte de tecidos na fabricação de roupas e cobertores.

A invenção do laser foi marcada inicialmente pela batalha judicial envolvendo seus direitos de criação. Por muitos anos creditou-se a Arthur Schawlow e Charles Townes a invenção do laser, após a publicação por eles de uma proposta para o laser em uma edição de 1958 da Physical Review. Schawlow e Townes receberam uma patente pelo equipamento em 1959. Em 1960, o primeiro laser foi construído e operado por Theodore Maiman. Esse equipamento usava um cristal de rubi para criar a luz de laser, que foi emitida em pulsos a partir da extremidade de um cilindro de rubi. Uma lâmpada de flash foi usada para excitar a ação do laser.

O esquema de um dos primeiros laser de rubi, mostrando a lâmpada de flash (hélice de vidro) envolvendo a haste de rubi (vidro interior)

Mas em 1957 Gordon Gould, um estudante de pós-graduação na Columbia University, já havia sido o primeiro cientista a produzir toda a teoria de um laser, bem como ser o primeiro a cunhar o termo "laser". Porém, acreditando erroneamente que teria de ter um protótipo funcionando antes de requerer a patente, ele não solicitou a patente até 1959, alguns meses depois de Schawlow e Townes. A batalha legal entre Gordon Gould e Arthur Schawlow e Charles Townes teve início em 1960 e sua primeira decisão só saiu em 1979, quando Gould recebeu a patente pela invenção do laser. A batalha legal só teve fim em 1989, quando a tecnologia inventada por Gould já estava sendo amplamente usada na indústria e na medicina. Sua vitória finalmente resultou em seu controle sobre os direitos de talvez 95% dos lasers vendidos e usados nos Estados Unidos e Europa.

Desde o desenvolvimento do primeiro equipamento, a tecnologia do laser experimentou um tremendo crescimento. Ele é uma ferramenta tecnológica onipresente em nossa vida diária. Suas aplicações incluem a "soldadura" cirúrgica de retinas descoladas, inspeções de precisão e medidas de comprimento, uma fonte potencial para a indução de reações de fusão nuclear, o corte de precisão de metais e de outros materiais e a comunicação telefônica através de fibras ópticas.


Uma tesoura com mira a laser é utilizada para o corte manual de precisão de tecidos.	O laser também pode ser utilizado na detecção de partículas na atmosfera da Terra e em outros lugares do espaço.

Também usamos lasers para ler informação de CDs de áudio e em aplicações de computador. Videodiscos digitais usam lasers para ler informação de vídeo. Lasers são usados em lojas de varejo para ler preços e informações de estoque a partir das etiquetas dos produtos. Essas e outras aplicações são possíveis por causa das características únicas da luz de laser. Além de ser altamente monocromática, a luz de laser também é altamente direcional e pode, dessa forma, ser localizada precisamente para produzir regiões de extrema intensidade.

A participação do laser na revolução tecnológica que presenciamos nos últimos anos podem ser resumidas nas aplicações abaixo:

Pinças ópticas

Em 1986, Steven Chu desenvolveu um sistema de pinças ópticas, mas quais um único feixe de laser focalizado precisamente pode ser usado para aprisionar e manipular pequenas partículas. Em combinação com microscópios, as pinças ópticas tem aberto muitas novas possibilidades para os biólogos, pois permitem a um pesquisador manipular bactérias vivas sem causar dano, para mover cromossomos dentro do núcleo da célula e para medir as propriedades elásticas de uma única molécula de DNA. Steven Chu dividiu o Prêmio Nobel de Física de 1997 com Willian Phillips pelo desenvolvimento de técnicas de confinamento óptico.

Holografia

A holografia é a produção de imagens tridimensionais de corpos e é uma interessante aplicação do laser. A física da holografia foi desenvolvida por Dennis Garbor em 1948, pela qual recebeu o Prêmio Nobel de 1971. No entanto, a necessidade de luz coerente para a holografia atrasou a realização de imagens holográficas a partir do trabalho de Gabor até o desenvolvimento dos lasers nos anos 60.

A figura ao lado mostra como é feito um holograma. A luz proveniente do laser é dividida em duas partes por rum espelho semiprateado. Uma parte do feixe se reflete no corpo a ser fotografado e atinge um filme fotográfico comum. A outra metade do feixe é aberta por uma lente divergente e reflete-se nos espelhos para então atingir o filme. Dos dois feixes se sobrepõem para formar um padrão de interferência extremamente complicado sobre o filme.

Tal padrão de interferência pode ser produzido apenas se a relação de combinação entre as duas ondas for mantida durante toda a exposição do filme. Essa condição é satisfeita iluminando-se a cena com luz de proveniente de uma pequena abertura ou radiação de luz coerente. O holograma não grava somente a intensidade de luz espalhada pelo corpo (como em uma fotografia tradicional), mas também a diferença de fase entre o feixe de referência e o feixe espalhado pelo corpo. Essa diferença de fase resulta em um padrão de interferência que produz uma imagem com uma perspectiva tridimensional completa

Hologramas estão encontrando uma série de aplicações em apresentações e em medidas de precisão; Você pode ter um holograma em seu cartão de crédito, bilhete de passagem aérea, um DVD. Esse tipo de holograma é chamado de holograma arco-íris e é projetado para ser visto em luz branca refletida. Além disso, os hologramas representam um meio de armazenar informações visuais usando lasers.

Compact Discs (CDs)

O armazenamento de informação em um pequeno volume de espaço é uma meta ruma à qual os seres humanos têm trabalhado por várias décadas. No período inicial da computação, a informação era armazenada em cartões perfurados. Isso parece engraçado no mundo de hoje, especialmente porque, ao se espalhar sobre uma mesa os cartões representando uma página de texto, a área ocupada era maior que a página de texto original.

A técnica de gravação e armazenamento em disco magnético foi introduzida na década de 1950 e permitiu uma redução no espaço utilizado em relação ao ocupado pelos dados originais. O início do armazenamento óptico, no entanto, ocorreu em 1970, com a introdução dos vídeos discos. Esses discos discos plásticos incluíam buracos codificados representando a informação dos videodiscos. Um laser, focalizado por lentes sobre uma pequena região de cerca de 0,000001 de diâmetro. é usado para ler os dados.

O próximo passo na história da gravação óptica envolve a chamada revolução digital, exemplificada pela introdução do compact disc ou CD. A leitura do disco é similar à do videodisco, mas a informação é armazenada em formato digital. CDs de música foram rapidamente aceitos pelo público com muito mais entusiasmo que os videodiscos. Logo após a introdução dos CDs, planos foram anunciados para a comercialização de um disco óptico para armazenamento de informação para computadores - o CD-ROM.

O sistema de detecção de um CD player funciona do seguinte modo: os componentes ópticos são montados sobre um trilho, que se movimenta radialmente de tal forma que o sistema possa acessar todas as partes do disco. O laser está localizado próximo ao trilho, direcionando sua luz para cima. A luz é colimada por ma lente em um feixe paralelo a atravessa um divisor de feixe. Isso não serve a nenhum propósito no caminho para cima, mas é importante para a luz de retorno. O feixe de laser é então focalizado em um ponto muito pequeno sobre o disco pela lente objetiva.

Se a luz encontra um buraco no disco, ela é espelhada e muito pouca luz retorna ao longo da trajetória original. Se a luz encontra uma região plana do disco na qual nenhum buraco foi gravado, a luz se reflete de volta ao longo de sua trajetória original.

A luz refletida desloca-se para baixo, chegando ao divisor de feixe, de tal forma que ela é parcialmente refletida para a direita. Lentes focalizam o feixe, que é então detectado pela fotocélula.

A informação digital é gravada no disco por meio de buracos planos. Um mudança de um buraco para um plano ou de uma plano para um buraco assinala um 1, amo mesmo tempo que nenhuma mudança indica um zero (lembre-se que estamos lidando com um circuito computadorizado e por isso, sua linguagem é a linguagem dos bits, que admite o zero e o um como "alfabeto"). O circuito eletrônico do CD player converte de volta a série de zeros e uns em um sinal audível. E tudo isso ocorre em milésimos de segundo!