Como funcionam os lasers?
Lasers são indispensáveis para as indústrias de informática e médica, cirurgiões, contadores de faturamento e Superman. Os lasers são tão incrivelmente coerentes e concentrados que um feixe direcionado a um espelho na Lua pela NASA partiu e chegou sem qualquer dispersão. Com absolutamente nenhum espaço para erros, a equipe da Apollo poderia, portanto, calcular a distância entre a Terra e a Lua com a máxima precisão. No entanto, como um laser atinge uma consistência inacreditável?
(Crédito da foto: Airman Shawna L. Keyes / Comando de Combate Aéreo)
Inversão de população
A palavra LASER é na verdade uma sigla para Amplificação por Laser por Emissão Estimulada de Radiação. O principal componente do aparelho é um meio de laser, que pode ser um tubo de vedação de gás no interior, como a mistura de hélio e néon ou um cristal sólido como Nd: YAG (Garnet de alumínio com ítrio dopado com neodímio). Fixo acima do meio é uma fonte de energia, elétrica ou fotônica (luz).
Quando os átomos experimentam uma onda de energia, seus elétrons vão usá-lo para subir para estados de energia mais elevados. No entanto, os átomos encontram esses surtos agitados, pois buscam compulsivamente a estabilidade, o que eles conseguirão forçando os elétrons a baixarem os estados de energia. No entanto, esse rebaixamento vem ao custo de perder energia; À medida que os elétrons excitados fazem o salto, os átomos emitem energia na forma de luz.
(Crédito da foto: Brighterorange / Wikimedia Commons)
Os átomos do meio são excitados por uma poderosa corrente elétrica ou uma lâmpada UV. À medida que todos os átomos se animam, eles alcançam o que é chamado deinversão de população: a configuração de elétrons, em vez de residir em níveis de energia mais estáveis ou habitáveis, é invertida de modo a ocupar níveis instáveis de energia.
No entanto, como explicado, os elétrons irão imediatamente pular e emitir luz, mas esta luz não pode escapar ainda. O que o aparelho realizou foi apenas radiaçãoespontânea, não radiaçãoestimulada.
Radiação estimulada
O meio é confinado dentro de dois espelhos: um completamente reflexivo e outro apenas parcialmente reflexivo. A radiação espontânea refletirá vigorosamente entre esses espelhos, os quais irão excitar os átomos do meio e assim produzir mais radiação. O que se segue é uma reação em cadeia tumultuada: um único fóton produz, por exemplo, dois fótons, que então produz quatro, que então produz oito e assim por diante até bilhões e bilhões de fótons terem sido gerados. Essa torrente de fótons sendo produzidos é chamada de radiação estimulada.
A estimulação tem duas vantagens notáveis: primeiro, uma quantidade ridícula de amplificação é obtida e, segundo, cada fóton exibe o mesmo comprimento de onda, fase e direção. Para explicar como vai muito além do escopo deste artigo.
Agora, porque a luz exibe apenas um único comprimento de onda e fase, é monocromática ou de uma única cor, se é visível, é claro, ou compreende um único espectro de radiação eletromagnética invisível, incluindo UV, infravermelho, raios-X ou qualquer um dos outros restantes. A monocromaticidade absoluta e a enorme coerência são as características mais críticas do laser.
Lembre-se de que os fótons podem ser comprimidos e compactados dessa maneira porque, diferentemente dos elétrons, eles não são carregados. Se os elétrons se comportassem dessa maneira, se eles não obedecessem ao princípio de exclusão de Pauli, a matéria nunca teria alcançado volume.
A radiação estimulada escapará através do espelho que é apenas parcialmente reflexivo. É então mais convergido e concentrado com lentes poderosas e finalmente dirigido em discos compactos, tecidos, códigos de barras e inimigos do Super-homem.
