Componentes eletrônicos, Eletrônica, Luz, Mecânica quântica, Partículas subatômicas

Como funciona o laser?

Este é o primeiro de uma série de posts relacionados a lasers. O assunto deste post é sobre o princípio de funcionamento do laser.

A física por trás

Laser é o acrônimo de “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” (Amplificação de luz por emissão estimulada de radiação). Quando um fóton, partícula de luz, interage com um átomo, um elétron deste sai de uma órbita para outra mais afastada do núcleo. Diz-se que o átomo saiu do estado fundamental para o estado excitado.

emitindo fótons a partir de átomos
Não é qualquer fóton que pode excitar um elétron do átomo. O fóton de comprimento de onda λ3 não tem energia suficiente para colocar um elétron em outra órbita. Fonte: Hidden Nature.

Em alguns átomos, o elétron fica em um nível mais energético por mais tempo, diz-se que estes átomos ficam em um estado metaestável. O tempo de duração depende do material.

Emissões espontânea e estimulada

Em alguns casos, o elétron sozinho volta para a órbita anterior, pois o estado excitado é instável. Esta é a emissão espontânea, mostrada na figura acima. Para acontecer uma emissão estimulada, um fóton deve incidir sobre o átomo em estado excitado. Este volta para o estado fundamental e emite 2 fótons em vez de um.

Funcionamento do laser

Por quê a luz do laser é monocromática, coerente (sem defasagem de fase entre os fótons) e com dispersão baixíssima? Em um laser, os átomos que fazem emissões estimuladas ficam no meio ativo (Gain medium). É usado um material cujos átomos possam ficar no modo metaestável, pode ser um gás, um cristal ou fibra de vidro. Este material fica em uma cavidade ótica ou ressonador, consiste em um lado ter um espelho altamente refletivo (100% reflective mirror) e no lado oposto, um material refletivo que permite transmissão parcial de luz (95% reflective mirror). É nesta parte onde sai a luz do laser (Laser beam).

funcionamento do laser
Fonte: Science4fun.

Para fazer emissões estimuladas, é necessário primeiro excitar os átomos, o mecanismo pode ser uma corrente elétrica ou um tubo de quartzo (Quartz flash tube), que excita os elétrons com a luz semelhante a de um flash de máquina fotográfica. Após a excitação, alguns fótons são liberados quando alguns átomos voltam ao estado fundamental. No entanto, dentro da cavidade ótica, os fótons são refletidos nos espelhos, causando a emissão estimulada em átomos no estado metaestável. Aumentando o número de fótons de mesma fase. 

emissão estimulada
A emissão estimulada em uma cavidade ótica de um laser, de (a) a (h). Fonte: How a laser works.

No próximo post de Eletrônica, mostrarei alguns tipos de laser.

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