Raio Laser e Suas Aplicações na Ciência e Tecnologia

1

2

UNIP – Universidade Paulista

Engenharia – Ciclo Básico

APS – Atividades Práticas Supervisionadas - 2º/3º semestres:

“RAIO LASER E SUAS APLICAÇÕES NA CIÊNCIA E TECNOLOGIA”

Índice

I. Introdução..............................................................................................página 2

II. Revisão Bibliográfica.............................................................................página 5

III. Aplicações na Ciência e Tecnologia....................................................página 12

IV. Impactos Produzidos na Sociedade....................................................página 16

V. Efeito do Trabalho na Formação do Aluno..........................................página 20

VI. Conclusão............................................................................................página 22

VII. Bibliografia...........................................................................................página 23

3

I. INTRODUÇÃO

Foi a ficção científica a responsável por apresentar o raio laser ao mundo.

Atualmente, o raio laser é um componente essencial da moderna tecnologia, usado

em diferentes formas, desde aparelhos audiovisuais até instrumentos médicos,

instrumentos de precisão para medição e equipamentos de defesa militar.

O raio laser é um tipo de radiação eletromagnética visível ao olho humano. Laser é

uma palavra que é formada a partir das palavras “Light Amplification by Stimulated

Emission of Radiation”, que juntas significam “Amplificação da Luz por Emissão

Estimulada por Radiação”. O laser possui características especiais como, por

exemplo, ela ser monocromática, coerente e colimada, além de ter larga aplicação

tecnológica e científica e que vem se expandindo cada dia mais.

A luz do laser além de ser monocromática, ou seja, constituída por radiações de

uma única frequência, é muito potente em razão da grande concentração de energia

em pequenas áreas (pequenos feixes). O feixe de laser é muito potente, podendo ter

brilho superior ao da luz emitida por uma lâmpada.

Em 1905, Albert Einstein postulou que a luz é formada por pacotes discretos e bem

determinados de energia (quantas), mais tarde chamados de fótons. Em 1913 o

dinamarquês Niels Bohr apresentou seu modelo de átomo, onde os elétrons orbitam

o núcleo em níveis bem determinados, sendo que só podem “saltar“ de um nível

para outro se receberem ou emitirem fótons com a quantidade de energia (que pode

ser expressa pelo seu comprimento de onda) exata exigida para o salto completo.

O físico Albert Einstein, no ano de 1916, lançou as bases para a criação do laser a

partir das teorias de Max Plank, físico alemão, que descobriu que átomos ou

moléculas absorviam ou emitiam energia apenas em quantidades discretas, ou seja,

em parcelas pequenas e muito bem definidas. Definiu o conceito de “Quantum”

como sendo a quantidade de energia que pode ser emitida ou absorvida na forma de

radiação eletromagnética.

No entanto essas bases ficaram esquecidas durante a Segunda Guerra Mundial. Foi

em 1953, trinta e sete anos depois, que cientistas conseguiram produzir o primeiro

laser, ou melhor, dizendo, um dispositivo bastante similar a um laser, pois ele não

tinha a capacidade de emitir ondas de forma contínua. Apesar de não ter sido o

4

criador do laser, A. Einstein leva o crédito por ter sido o cientista que descobriu o

efeito físico existente por detrás do funcionamento do laser, a emissão estimulada,

essa que é a condição necessária para se ter o equilíbrio térmico da radiação com a

matéria.

O raio laser é essencial às modernas comunicações. Foi descoberto no final da

década de 50 por dois cientistas: Arthur Schawlow e Charles Townes. Durante a

Segunda Guerra Mundial, Townes especializou-se em radar e microondas.

Descobriu que as moléculas e as microondas podiam interagir. Depois da guerra,

concentrou suas atenções em algo que conhecemos hoje como “espectroscopia“, ou

seja, o estudo da interação entre moléculas e microondas. E inventou o “Maser”,

uma solução técnica pela qual a amplificação das microondas estimula a emissão de

radiações.

Ao mesmo tempo, Townes e Schawlow maravilharam-se com os espectros

eletromagnéticos em casos em que o comprimento de onda é inferior e a frequência

é maior do que nas microondas. E o que acontece nas áreas mais visíveis do

espectro.

Acabaram por construir um aparelho muito engenhoso: um tubo translúcido, com

espelhos nas duas extremidades.

As ondas são refletidas pelos dois espelhos. Algumas ondas, porém, ultrapassam

os espelhos e forma um feixe independente de raios, a luz do laser, que, ao

contrário da luz comum, possui uma frequência regular.

Townes e Schawlow

Rapidamente as pesquisas de Schawlow e Townes divulgaram-se pelo mundo,

despertando o interesse de muitos cientistas. O primeiro feixe de raios laser usado

para fins tecnológicos foi construído em 1960. E, em 1961, usando uma mistura de

hélio e neon, os pesquisadores construíram um aparelho com um feixe de luz

contínua, estimulado por um gerador de frequências. E a pesquisa continua.

Um dos primeiros usos que se encontrou para o laser foi na Medicina. Começou

pelas cirurgias de olho, mas logo alcançou outras especialidades.

5

O raio laser também encontrou aplicações na indústria, onde é empregado para

cortar qualquer tipo de material. Também se usa o raio laser para impressão e em

inúmeros outros casos em que a precisão seja necessária.

Em razão de suas características, o raio laser hoje é muito aplicado como, por

exemplo, nas cirurgias médicas, em pesquisas científicas, nos leitores de CD e DVD

como também no laser pointer utilizado para apresentação de slides.

Na indústria o raio laser de dióxido de carbono tem sido muito utilizado, pois

possibilita um processo rápido de corte e solda de materiais. As aplicações do raio

lazer são inúmeras e tem se tornado cada vez mais diversificado, de forma que

relacionar todas elas fica impossível.

Em nossa vida diária, usamos o raio laser para “ler“ o preço codificado nas

etiquetas nos supermercados. Com feixes de laser produzem-se fantásticas formas

gráficas, chamadas “hologramas“.

Atualmente, as fibras óticas que transmitem raios laser tornam mais acessíveis as

comunicações por microondas. As comunicações por raio laser vão se tornando

rotina em todo o mundo.

A pesquisa prossegue sem descanso. Por suas descobertas, Schawlow e Townes

receberam cada um, um Prêmio Nobel.

6

II. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Charles Hard Townes, professor, nascido em Greenville, Carolina do Sul, EUA, no

dia 28 de julho de 1915, se formara na Universidade de Duke, em sua terra natal, e

obteve o título de doutor em um Instituto de tecnologia da Califórnia, em 1939.

Durante a segunda Guerra Mundial, trabalhou nos laboratórios Bell com alguns dos

melhores técnicos de sua área, ocupando-se especialmente com sistemas de radar

de microondas.

Em 1951, Townes era professor na universidade de Columbia, em Nova York. Suas

meditações naquele banco de praça, em Washington, levaram-no as idéia que

haviam sido sugeridas em 1917 por Albert Einstein. O criador da Teoria da

Relatividade havia publicado, naquele ano, um estudo sobre o efeito amplificador

que se poderia obter em uma emissão estimulada de radiações. Até então um, todas

as emissões que o homem conseguia produzir eram as ondas de radio - demasiado

largas para as experiências — eu trabalho de Einstein sobre elas é apenas teórico.

Townes imaginava que seria possível converter em radiações as vibrações das

moléculas encerradas em uma caixa de ressonância, ou algo parecido, e que tal

radiação estimulada poderia ser reforçada. Mas quando chegou ao seminário e

expôs as idéias que remoera naquela manhã, na praça, mereceu pouca atenção.

Longe de desanimar, o jovem cientista levou um problema para ser discutido com

seus alunos na Universidade de Columbia e lá começou a fazer testes com

diferentes fontes de radiação molécula. Depois de três anos teve os primeiros

resultados com gás de amoníaco cujas moléculas chegavam a vibrar 24 bilhões de

vezes por segundo, o que tornava suscetíveis de converter-se em ondas de 2 mm

em meio de comprimento. Dirigindo sobre as moléculas o adequado estímulo

eletromagnético, Townes o seguiu a uma avalanche de elétrons que ampliavam

consideravelmente e o original.

De “acordo com o próprio Townes, foi das discussões com seus alunos de

Columbia, que saiu todo um vocabulário de novas siglas.” Escolhemos, ele diz “o

nome “maser” por microwave amplification by simulated emission of radiation

(amplificação de microondas por emissão de radiação estimulada). Também

propusemos, até por brincadeira, “iraser”, de infrared amplification (amplificação

7

infravermelha), “laser” de light amplification by stimulated emission of radiation raios

X). Apenas maser e laser prosperaram.”

O maser revelou aos poucos sua maravilhosa utilidade, superando os mais refinados

amplificadores de radio e se habilitando para as comunicações astronômica e para a

detecção das demissões estelares de radio. Nos mesmos anos em que Townes

assentava os princípios do maser, o físicos soviéticos Aleksandro Mikhaylovich

Prokhorov e Nicolai Gennadiyevich Basov chegavam a resultados semelhantes em

Moscou. Ambos dividiram com o americano o prêmio Nobel de Física de 1964 por

suas descobertas. O caminho das pesquisas estava agora aberto para todos.

Townes continuava pensando que depois das microondas sonoras se poderiam

chegar também às ondas infinitamente menores de luz. Seu amigo Arthur Schuwlow,

que queria trabalhar nos Laboratórios Bell, então elaborou uma solução teórica para

o problema de construir a câmara apropriada para ressoar frequências tão altas.

Ambos publicaram em 1958 um artigo em que apresentavam essas idéias. O texto

desencadeou um grande interesse em torno da construção de instrumento que se

conheceria como laser.

A primeira solução prática foi apresentada em 1970 por um físico americano que

trabalhava no laboratório da companhia Hughes de Aviação, chamado Theodore

Harold Maiman. Nascido em Los Angeles, Califórnia, EUA no dia 11 de julho de

1927, Maiman pagara seus próprios estudos na Universidade do Colorado

trabalhando como eletricista e mais tarde e fez seu doutoramento na Universidade

de Stanford, também na Califórnia.

Em vez de um gás como o amoníaco, Maiman entregou um cilindro de rubi

sintético, ao qual acrescentou impurezas de cromo. Os extremos do cilindro tinham

sido cuidadosamente polidos para funcionar como espelhos. Um feixe de luz

rodeava o cilindro de rubi e ao se acender produzia o estímulo: o rubi disparava um

breve e muito intenso raio laser.

8

Um grupo de pesquisadores dos Laboratórios Bell desenhou, em 1961, outro

modelo de l de com uma mistura de hélio e gás néon e muito depressa começaram

a aparecer outras variações em torno do tema, empregando átomos e moléculas

diferentes, assim como distintas fontes de energia para estimulá-los em algo

parecido com uma caixa de espelhos.

A luz do laser é muito diferente da luz normal. A luz laser tem as seguintes

propriedades:

A luz liberada é monocromática. Ela contém um comprimento de onda específico

de luz (uma cor específica). O comprimento de onda de luz é determinado pela

quantidade de energia liberada quando o elétron vai para uma órbita menor;

A luz liberada é coerente. Ela é “organizada“ - cada fóton se move juntamente

com os outros. Isso significa que todos os fótons têm frentes de onda que são

iniciadas em uníssono;

A luz é bem direcionada. Uma luz laser tem um feixe muito estreito e é muito forte

e concentrada. A luz de uma lanterna, por outro lado, libera luz em várias direções,

além de a luz ser muito fraca e difusa.

Para que essas três propriedades ocorram, é necessário algo chamado emissão

estimulada. Essa emissão não ocorre numa lanterna comum - em uma lanterna,

todos os átomos liberam seus fótons de forma aleatória. Na emissão estimulada, a

emissão de fótons é organizada.

O fóton liberado por qualquer átomo tem um determinado comprimento de onda

que depende da diferença de energia entre o estado excitado e o estado

fundamental. Se esse fóton (que possui uma determinada energia e fase) encontrar

outro átomo com um elétron em estado excitado idêntico, a emissão estimulada

pode ocorrer. O primeiro fóton pode estimular ou induzir emissão atômica de tal

maneira que o fóton emitido como consequência (a partir do segundo átomo) vibrará

na mesma frequência e direção que o fóton recebido.

Outro ponto fundamental do laser é um par de espelhos, um em cada ponta do

meio gerador.

9

Os fótons, com um comprimento de onda e fase muito específicas, refletem-se nos

espelhos para viajar de um lado a outro do material gerador de laser.

No processo, eles estimulam outros elétrons a fazer com que a energia

decrescente aumente e podem causar a emissão de mais fótons de igual

comprimento de onda e fase.

Um efeito dominó acontece e logo se terão propagado muitos e muitos fótons de

mesmo comprimento de onda e fase. O espelho em uma das pontas do laser é semi

prateado, o que significa que ele reflete uma parte da luz e permite a passagem de

outra parte. Essa parte da luz que consegue passar é a luz laser.

O nome laser, a partir de então, adquiriu uma e extraordinária repercussão pública,

associado na imaginação popular, as aventuras da ficção científica.

A rigor, ele é uma potente ferramenta. Como a alavanca, a roldana, o plano

inclinado, que aproveitam a força da gravidade e da inércia para amplificar a

potência dos músculos, o laser faz o uso da força dos átomos e moléculas para

amplificar a potência da radiação.

Pelo menos neste século, a luz tem sido o principal tema de investigação da Física.

Em torno dela construiu- se uma das mais complexas e ousadas teoria — a da

Mecânica Quântica. Ela afirma o aparente paradoxo de que a luz é, ao mesmo

tempo, uma coisa (partículas, chamadas fótons) eu um processo (ondas). Esse

duplo papel da luz é que tornou possível o laser — na verdade, uma materialização

e da teoria dos quanta.

O laser nada mais fez do que tornar coerente, de coordenada, a natureza

ondulatória da luz. As sondas que se produzem na água, quando nela atiramos um

objeto, provocam ondas de retorno quando batem nas margens do lago ou tanque

onde fazemos a experiência. Se as duas ondas são coerentes, quer dizer, atinge

seu ponto mais alto ao mesmo tempo, elas se reforçam. E isso que o laser faz com

as ondas de luz.

A natureza quântica da luz reside no fato de que os átomos não emitem e energia

em forma contínua, mas em pequenos blocos, os quanta.

10

Quando se bombardeia um átomo com energia e externa, um de seus elétrons

absorve um fóton e, graças a ele, salta para uma órbita superior; ao contrário,

quando o átomo perde e energia, o elétron emite um fóton e desce para a órbita

inferior. O laser estimula um número de elétrons a subir para a órbita superior;

quando desce, eles emitem luz em uma mesma frequência e, exata, que é

seguidamente refletida nos espelhos de cristal do aparelho. Isso faz crescer o nível

da energia até ela conseguir atravessar a parede dos espelhos e aparecer no

exterior, muito mais forte do que quando lá entrou.

Essa notável propriedade permitiu, por exemplo, medir a distância entre a Terra e a

Lua com um erro de apenas dois centímetros. Usando um refletor especial

abandonado na Lua pelos astronautas da Apolo XI, o observatório de Lure, no

Havaí, emitiu um raio laser que levou dois segundos e meio para ir até lá e voltar,

refletido a Terra, permitindo a medição (384.403 km).

Outra grande vantagem do laser é sua cor puríssima e monocromática. Seu feixe

muito estreito tem um paralelismo excepcional (ao contrário de uma lanterna, por

exemplo, cujo feixe de luz mais se alarga quanto mais longe é dirigido).

Por causa de suas características únicas é que o laser aperfeiçoa técnicas já

existentes e abre uma vasta gama de usos ainda nem imaginados pelo homem. Ele

já se tornou uma ferramenta insubstituível nas telecomunicações, na medicina, na

indústria, na arte — ocupa cada vez mais espaço em shows de música, dança e

teatro — e em praticamente todos os campos da atividade humana onde haja

necessidade de furar, soldar, iluminar, medir com precisão ou calibrar.

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:

11

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 1x10-9 metros;

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 laser ou aparelhos de CD.

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 na tabela abaixo.

Classe I Estes lasers não emitem radiação com níveis reconhecidamente

perigosos.

Classe I.A

Esta 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.

12

Classe II

Estes 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 III.A

Estes 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 III.B 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 apresenta provável risco de incêndio e risco a pele.

Medidas significativas de controle são requeridas em instalações que

contêm laser Classe IV.

Sinal de alerta da classificação do Laser

A T E N Ç Ã O

Trena laser PD30 HILTI

13

III. APLICAÇÃO NA CIÊNCIA E TECNOLOGIA

Vemos com muita frequência o termo “raio laser“ associado a ficções científicas e

afins. Na vida real este possuiu muitas aplicações, desde médicas até em

armamentos.

O raio laser é muito útil em nossa vida cotidiana: na medicina é utilizado em

cirurgias plásticas e remoção de tatuagens. Também é usado no tratamento

rejuvenescedor. Durante o processo de envelhecimento as fibras da pele tendem a

ficar desorganizadas e perder a capacidade de contração e relaxamento. A ação do

laser faz com que estas fibras sejam estimuladas a se reorganizarem, fazendo com

que a pele apresente um aspecto mais jovem.

O laser também tem aplicações militares. Nas chamadas operações de “alto custo“,

utilizam-se o laser denominado neodímio (laser dióxido de carbono). Estes são

utilizados para localizar alvos a longa distância, como satélites espiões. Nas

operações de baixo custo se usa a mira laser de uso individual (diodo laser),

acoplada a armas de pequeno calibre.

Industrialmente são empregados os lasers de impulso, com os quais se produz

pequenos orifícios em materiais muito duros ou de elevado ponto de fusão, como o

aço e o diamante.

Outra situação em que o laser tem utilidade é na produção de shows e espetáculos.

Em ambientes externos ou grandes ambientes internos se usa o raio laser da cor

desejada de alta potência, e em ambientes internos de médio porte é convencional

se usar o raio laser de média potência.

Depois que um feixe luminoso parte do laser, pode ser mais concentrado ainda, por

meio de dispositivos de focalização. A potência desses raios laser pode ser de

vários milhões de watts, não sendo, portanto, de surpreender que a luz laser corte

metal e que possa ser refletida da Lua como um feixe de radar. A tecnologia do laser

também está sendo aplicada a comunicações a longa distância e ao processamento

de dados. Você também pode encontrar o laser em leituras ópticas, nos preços dos

produtos em supermercados e nos mais modernos vídeos e discos.

14

Foi a partir da década de 50 que o laser começou a ser utilizado pela medicina.

Sua primeira aplicação ocorreu na área de oftalmologia. Nos anos 60, a empresa

Zeiss Optical Company construiu o primeiro laser foto coagulador de Xenônio, que

emitia luz branca.

Na área de oftalmologia é necessário trabalhar com várias frequências de lasers,

pois cada tipo de célula absorve melhor uma determinada frequência, em detrimento

das demais. Os lasers são usados na foto coagulação de vasos sanguíneos em

tratamentos de tumores, em cirurgias oculares, em alguns tipos de cataratas,

glaucomas, e úlceras da córnea.

O laser ajuda também a tratar a angioplastia, onde uma ou mais artérias estão

bloqueadas pelo estreitamento localizado, resultado do acúmulo de colesterol no

sangue - chamada placa aterosclerótica -, onde o fluxo de sangue e oxigênio é

diminuído. O mecanismo de ação desse laser sobre a placa aterosclerótica é a

vaporização, que induz intenso aquecimento localizado tecidual (injúria térmica). A

energia é conduzida por cateter contraído de múltiplas fibras ópticas (de 12 a 300),

que é conectado a um gerador de laser. Existem algumas limitações desta nova

15

tecnologia, entre as quais, destacam-se o seu elevado custo e as possíveis

complicações (perfuração e dissecação da artéria).

E ele também está sendo empregado na desobstrução de vasos sanguíneos, no

interior do próprio coração, através de fibras ópticas; nesse caso, a fibra é acoplada

a um monitor de TV, a fim de que possa ser visualizado o local da aplicação.

Para a odontologia foi desenvolvido no IPEN, o laser de hólmio foi capaz de fazer

perfurações no dente sem carbonizar ou trincar a dentina, camada situada logo

abaixo do esmalte. As perfurações feitas no dente pelo raio desse laser, que tem

como meio ativo um cristal de fluoreto de ítrio lítio, combinado com a terra rara

hólmio, têm diâmetro de 230 mícrons (o mícron é a milésima parte de um milímetro)

e alcançam três milímetros de profundidade. O laser entrou nas clínicas

odontológicas apenas em 1990. O tipo mais usado nos tratamentos clínicos é o laser

de baixa potência, pois tem ação analgésica, antiinflamatória e bioestimulante,

contribuindo para a regeneração dos tecidos. Nessa área é aplicado no tratamento

de aftas e herpes labiais, incisões ou remoções de tumores e lesões, vaporização de

tecidos em operações plásticas e tratamentos gengivais e como adjuvantes de

outros procedimentos clínicos, como tratamento de canal.

A ilustração mostra a atuação do laser em casos

de aterosclerose, doença caracterizada pelo

acúmulo de gordura nas artérias. Por meio de

endoscopia, o pequeno aparelho percorre os

vasos e lança o feixe de luz sobre as placas

gordurosas, destruindo-as e permitindo que o fluxo

sangüíneo volte ao normal e consiga ter força para

irrigar o coração. Resultado: previne o infarto.

16

Industrialmente, os lasers de impulsos são também utilizados na produção de

pequenos orifícios em materiais muito duros ou de elevado ponto de fusão, como o

aço e os diamantes. O processo é muito rápido, e não altera o material em torno do

orifício.

Para a construção civil a utilização mais comum para o laser é como ferramenta de

medição e nivelamento. Uma grande vantagem do nível laser, por exemplo, é que

diferentemente da “mangueira de nível”, ele pode ser feito por apenas uma pessoa e

mesmo assim a medição pode ser até 90% mais rápida. No tempo em que as duas

pessoas se posicionam para fazer uma marcação de nível, uma única pessoa é

capaz de fazer várias medições com o nível laser. Assim o trabalho de dois torna-se

o de uma pessoa. E se você está pagando uma equipe própria para medição e/ ou

execução, o laser irá se pagar em muito pouco tempo. O nível laser é basicamente

usado para substituir as tradicionais ferramentas da construção civil, ou seja, linha

de nylon, fios de prumo (os de face e de centro), o esquadro e a mangueira de nível.

Ele possui vários feixes laser saindo de um mesmo ponto direcionado como eixos,

com todos esses lasers ortogonais entre si. A grande vantagem desses sistemas é a

rapidez e a praticidade com que se fazem medições em comparação com os

métodos tradicionais. Em alguns segundos posiciona-se o aparelho e se faz toda a

marcação, não sendo necessário posicionar fios, usar pêndulos, alinhá-los ou lançar

eixos.

17

Existem também aplicações do laser, que, ao invés de utilizar sua potência e

intensidade, vale- se de suas propriedades de coerência luminosa. Um exemplo,

ainda apenas ao nível de projeto, é seu emprego nas telecomunicações. Por sua

natureza coerente e por possuir um único comprimento de onda, a radiação do laser

se assemelha a se transmissor de rádio. Se forem desenvolvidas técnicas eficientes

de superposição de sinais aos feixes de laser, a luz poderá ser utilizada para o envio

de mensagens a grandes distâncias. As vantagens principais em relação às

microondas seriam: grande dirigibilidade, que permitiria gastar menos potência; alta

frequência que possibilitaria o envio simultâneo de maior número de dados. Mas há

dificuldades graves que impedem, atualmente, o emprego do laser nas

telecomunicações: sua baixa confiabilidade, e a influência sob condições

atmosféricas que perturbariam o feixe luminoso. Um dos projetos realizados no

sentido de evitar essas dificuldades prevê o envio do feixe através de longos tubos

ou fibras de vidro muito finas.

Outra técnica que utiliza a coerência e a monocromaticidade do feixe laser é a

holografia. Trata-se de uma técnica fotográfica que permite produzir imagens com

aparência tridimensional. Também é possível, por meio da holografia, armazenar um

único pedaço de filme fotográfico a uma vasta quantidade de informações, que

podem ser recuperadas pela iluminação do filme com a luz do laser. Essa técnica

poderia substituir o arquivamento de informações em microfilmes, permitindo maior

aproveitamento do material fotográfico. O processo holográfico de armazenamento

de informações poderia ser aplicado às memórias de computadores; mas, em

virtude de outros desenvolvimentos, a idéia foi provisoriamente abandonada.

IV. IMPACTOS PRODUZIDOS

Uma das invenções científicas mais revolucionárias, o raio laser, completa meio

século. Neste tempo foram desenvolvidas as mais variadas aplicações práticas ao

seu redor. Astronomia, comunicações, medicina, arte, entretenimento e muitas

outras áreas, viveram uma evolução graças a esta invenção.

18

Sua descoberta acontece em 1960. No início ninguém acreditava nele apesar de o

cientista de origem alemã Albert Einstein, já o tivesse predito em artigo, publicado

em 1917 ,mas depois se viu a importância que esse feixe de luz podia ter no

desenvolvimento de outros processos técnicos e de pesquisa em diferentes áreas.

Uma solução buscando um problema.

O cientista americano Arthur L. Schawlow, considerado um dos inventores do laser

junto com seu colega Townes, disse então que “o laser era uma solução buscando

um problema“. Tratava-se de uma luz muito brilhante, muito potente, mas ainda se

ignorava o amplo campo de conhecimento que essa invenção poderia ter para a

civilização.

Angel Costela, professor de Pesquisa do CSIC (Conselho Superior de Pesquisas

Científicas da Espanha) explica que atualmente, o laser é aplicado em todos os

ramos de pesquisa, chegando ao ponto de se transformar em uma ferramenta muito

importante em campos tão diferentes quanto à indústria e a medicina, tratamento

foto dinâmico e coisas mais exóticas, como as pinças ópticas com as quais se

consegue transferir de um lugar para outro células e bactérias.

“Na indústria se utiliza o laser, por exemplo, para cortar peças em automóveis;

dentro da cosmética para foto depilação etc. Esta ferramenta tem milhares de

aplicações”, completa o professor.

O primeiro artigo no qual se descreve o descobrimento do laser, escrito em 1960

pelo cientista americano Theodore H. Maiman, inventor do primeiro laser que

utilizava um rubi rosa bombardeado por uma lâmpada de flash, foi rejeitado por uma

das revistas científicas mais importantes da época, a “Physical Review Letters“, que

falava que a descoberta “não era interessante“. Pouco depois apareceu em outras

publicações e os cientistas se deram conta de sua importância.

“Algumas das empresas de comunicação também rejeitaram a descoberta, que

agora é fundamental nesse campo, porque nos anos 50 acreditava-se que as micro-

ondas dos máseres podiam oferecer mais aplicações“, diz Costela.

Costela explica que “a diferença fundamental entre a luz de um laser e a luz de

uma lâmpada é que esta última emite luz em todas as direções, enquanto o laser

19

emite a luz de forma totalmente direcionada. De fato, o laser não pode ser visto, a

não ser que exista algo pelo qual sua luz seja dispersa“.

A luz emitida por um laser se propaga em uma linha, enquanto as diferentes ondas

de uma lâmpada vão cada uma para um lado. Na luz laser todas as ondas

luminosas coincidem.

E um fenômeno que consegue que a luz seja emita coerentemente, de modo que

se sobreponham umas ondas sobre as outras, por isso tem tanta intensidade e,

além disso, a luz é muito pura, monocromática.

“Entre suas ondas não há oscilações, enquanto a luz normal tem muitas cores“,

continua comentando o especialista.

Mas não é só para a ciência que o laser abriu portas de pesquisa, também na vida

diária das pessoas o laser significou um grande avanço. Sobretudo no campo da

medicina.

Esta fonte de radiação melhorou sensivelmente a qualidade dos tratamentos,

especialmente contra o câncer, e tornou possível a diminuição dos sofrimentos dos

pacientes.

Entre os usos médicos, este feixe de luz propiciou a realização de operações

cirúrgicas sem que o paciente sangre; ajuda na cicatrização dos ferimentos; oferece

a possibilidade de eliminar as dolorosas pedras no rim e com ele oftalmologistas e

dentistas estão operando há muito tempo.

Na indústria se tornou imprescindível para cortar materiais duros, nos robôs de

fabricação, na precisão de medições de distância e em lugares inacessíveis.

Sobre o principal uso do laser, Costela comenta: “é muito importante sua aplicação

na medicina; no tratamento do câncer, na cirurgia nos olhos, onde o laser esculpe a

córnea para eliminar a miopia etc. De um ponto de vista mais lúdico, temos

aplicações do laser nos aparelhos reprodutores de CD, nos leitores de códigos de

barras dos supermercados e na indústria são conhecidas suas aplicações nos robôs

para a fabricação de automóveis”.

20

Quanto a suas aplicações mais negativas, o especialista comenta: ”Como todo tipo

de tecnologia pode ser usado para o bem ou para o mal. Talvez haja algumas

aplicações militares nefastas, sobretudo quando o laser é utilizado como arma para

derrubar mísseis. Tudo depende de como alguém o veja. Talvez não tenha havido

tempo ainda para que alguém possa desenvolver seus usos mais negativos ou

nefastos”.

A energia do laser é esperança para a humanidade.

Mas o laser continua sendo uma caixinha de mistérios e possibilidades que mantém

as expectativas do mundo científico. Entre as esperanças postas nesta radiação

está a fusão com laser.

Para Costela, ”se produzíssemos energia com laser teríamos uma fonte

inesgotável. A bomba de hidrogênio (bomba H) é uma bomba térmica, fabricada com

a fusão de dois núcleos atômicos, mas de forma incontrolável".

”O desafio científico é conseguir a fusão controlada. De fato, a energia emitida pelo

Sol é uma reação de fusão, a ciência tenta reproduzir na Terra as condições desta

estrela para conseguir energia a base de campos magnéticos, ou a base de raios.”

Mas existe uma brincadeira dentro da comunidade científica: ‘fala-se há 50 anos

que a fusão a laser vai ser conseguida dentro de 50 anos‘. Atualmente acredita-se

que talvez se consiga para o ano 2025 ou 2030. A produção de energia de fusão

baseada em raios, no caso de ser obtida, seria fundamental porque é uma fonte de

energia limpa e praticamente inesgotável que seria muito benéfica para a

humanidade.

Atualmente, são feitas pesquisas dentro da instalação da National Ignition Facility

(NIF), onde fica o maior laser em funcionamento, situado no Lawrence Livermore

National Laboratory (Livermore, Califórnia, EUA).

Com esse aparelho se tenta reproduzir a reação de fusão nuclear que gera energia

no núcleo das estrelas, com o que se poderia criar mais energia que a produzida

pela eletricidade, além de não se emitir dióxido de carbono.

21

No sudeste da França, na localidade de Cadarache, está sendo construído um

reator de fusão experimental, o International Thermonuclear Experimental Reator,

que teoricamente teria as mesmas aplicações que o NIF.

Para nós cabe a pergunta: E poderíamos viver sem impressoras laser, sem os CD

e DVD com músicas e filmes, sem a leitura óptica nos supermercados, sem a

transmissão de informação por fibra óptica (usada na Internet e na TV a cabo), sem

as várias formas de cirurgia laser?

Townes e Schachlow, quando conceberam o maser e o laser, Gould, quando

escreveu o novo nome, e Maiman, quando viu a luz laser irradiada pelo rubi, não

podiam fazer idéia da enorme quantidade de aplicações que, passados 50 anos, o

laser teria. Quando o laser foi criado, dizia-se que era “uma solução a procura de um

problema”. Não encontrou apenas um, mas vários problemas. E, felizmente para

nós, solucionou-os...

V. EFEITO DO TRABALHO NA FORMAÇÃO DO ALUNO

O trabalho está nos mostrando uma dimensão da aplicação na engenharia,

equipamentos que utilizam o raio laser para dar precisão em cortes, medições e

colocação de revestimentos que antes utilizavam pêndulos e fios de nylon. Na

medicina e odontologia também utilizam feixe de luz para executar tarefas que antes

eram manuais.

Vivenciamos através do trabalho a história do raio laser aplicações e soluções que a

invenção do raio laser nos trouxe que cada vez mais serão aprimoradas para facilitar

o nosso dia a dia e até salvar vidas.

O desenvolvimento deste trabalho tem a vantagem de trazer um pouco da Física

Moderna para nosso conhecimento, tratando de um tópico que geralmente não é

abordado no Ensino Médio, servindo como instrumento eficaz para a compreensão

do mundo em que vivemos e de suas transformações científico-tecnológicas.

Em virtude do grande apelo que está presente na educação, com relação ao uso e

disseminação dos computadores nas escolas, este conteúdo se justifica pela

apresentação de informação adicional sobre a Física que está presente nos Lasers e

22

nas Fibras Ópticas, procurando mostrar aos alunos o lado científico do Laser e

algumas de suas infindáveis aplicações, e dentre elas, a comunicação digital através

das Fibras Ópticas.

O Laser está presente nos computadores através dos leitores ópticos de CD-ROM,

e as Fibras Ópticas se apresentam na comunicação digital de voz e dados, sem a

qual não seria possível suportar o grande aumento do volume de informação que

transita pelo mundo atualmente, principalmente com relação ao volume de

informações que a Internet disponibiliza.

É notória a ênfase que os meios de comunicação proporcionam aos recursos

tecnológicos atuais, principalmente recursos de telecomunicações e telefonia.

É importante, porém, salientar que a ciência que está por trás desta tecnologia toda,

não está fora do acesso das pessoas, mas sem a qual não seria possível o atual

estágio de modernização. Neste sentido este trabalho tem o intuito de tentar

aproximar os alunos em algumas destas tecnologias, como o Laser e as Fibras

Ópticas em uma aplicação muito comum que é na comunicação digital de voz e

dados através da luz, em diversos setores da ciência, tecnologia, indústria, medicina

e em nosso cotidiano.

É definitivamente incrível o efeito que este trabalho causa em quem ao menos lê a

introdução dele, é importante saber que o laser esta presente praticamente em todas

as áreas da engenharia e também é uma excelente ferramenta com uma precisão

incomparável. Podemos destacar também que se tornou um substituto muito mais

seguro em casos como da medicina, indústria, espacial entre outras.

Com certeza agora podemos dizer que nossa gama de ferramentas para soluções

dos nossos futuros problemas esta maior e mais completa. Conseguimos descobrir

através desse trabalho aplicações que nunca imaginamos que o laser poderia ter.

23

VI. CONCLUSÃO

Podemos dizer que o raio laser foi, sem dúvida, uma das invenções científicas mais

revolucionárias dos últimos tempos e completa já meio século de existência. Nesse

período se desenvolveram as mais variadas aplicações práticas em torno dele.

Comunicações, astronomia, artes, medicina, entretenimento, construção civil e

muitas outras áreas têm experimentado uma evolução com esta invenção.

A aplicação do laser na medicina, em todas as suas especialidades, está evoluindo

rapidamente. Isto é observado pela disseminação de seu uso pelos médicos, que

procuram assegurar aos seus pacientes as mais avançadas tecnologias. O laser tem

oferecido vantagens que outros instrumentos não possuem como a cauterização

simultânea, que leva a diminuição dos riscos de infecção, que é, hoje em dia, um

dos graves problemas que podem ocorrer no pós- operatório.

Muitos outros materiais podem ser usados na tecnologia do raio laser. Alguns,

como o rubi, emitem luz laser pulsada e outros, como a mistura dos gases hélio e

neônio e certos corantes líquidos, emitem luz laser contínua.

Esperamos que muitas outras aplicações sejam pesquisadas e colocadas em uso

imediato, para que possa auxiliar o homem a alcançar a tão desejada plena

condição de vida.

Este trabalho teve por objetivo, apresentar uma visão geral dos acontecimentos

que envolvem os princípios de funcionamento e algumas aplicações do raio laser,

mostrando que suas aplicações são inúmeras e estendem-se às mais diversas áreas

da tecnologia.

24

VII. BIBLIOGRAFIA

Helvio Matzner. Laser: a ferramenta que é pura energia - I, Nova Eletrônica.SP: Ano VI, N° 74, Abril.

Ricardo Siqueira. Laser no lugar da temível broca, Globo Ciência.SP: Globo S/A, Ano III, N° 35, Junho 1994.

Victor Civita. Ciência Ilustrada: Abril Cultural S.A., V. 6, 10 e 11.

http://www.mundoeducacao.com.br

http://pt.wikipedia.org

http://www.hilti.com.br

http://super.abril.com.br/superarquivo/1988/conteudo_111028.shtml

http://www.cdcc.sc.usp.br/julianoneto/laser/laser.html

http://www.portalsaofrancisco.com.br

http://intra.vila.com.br

http://tride3.blogspot.com/2010/06/50-anos-do-raio-laser-o-raio-que-vai.html

http://dererummundi.blogspot.com