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Como funcionam os Diodos laser (ART905)

Os diodos LASER deixaram de ser simples curiosidades da eletrônica para se tornar um componente comum, de grande utilidade e fundamental para o funcionamento de diversos equipamentos eletrônicos. O leitor de CDs tanto de música como de programas em computadores é um exemplo de dispositivo que não seria possível de ser imaginado sem o uso do diodo LASER. Nesta artigo explicamos como funciona este importante componente eletrônico e damos algumas de suas aplicações práticas.(1997)

 

Obs.: No ART124 temos uma abordagem semelhante para este assunto feita em outro artigo de outra data.

 

Para entender como funciona o diodo LASER devemos começar por saber exatamente o que é LASER. A palavra LASER vem da abreviação de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, o que traduzido significa Amplificação de Luz pela Emissão Estimulada de Radiação.

De uma maneira simples podemos dizer que o LASER nada mais é do que um amplificador de luz.

Para podermos entender como ele funciona, vamos tomar como exemplo sua versão básica que é elaborada em torno de um bastão de rubi sintético, conforme mostra a figura 1.

 

Um LASER de rubi sintético.
Um LASER de rubi sintético.

 

 O bastão de rubi tem espelhamentos nas suas faces. Um espelhamento é mais fino que o outro, por motivos que ficarão claros mais adiante e em sua volta temos uma lâmpada de xenônio, semelhante as usadas em flashes de máquinas fotográficas.

Quando produzimos uma descarga elétrica na lâmpada de xenônio, o que pode ser conseguido a partir de um circuito gerador de alta tensão,temos a emissão de luz que vai conter a energia que desejamos amplificar.

Esta luz, entretanto, não tem as características próprias do LASER. Trata-se de uma luz comum contendo diversas frequ6encias e "espalhando-se" de forma irregular praticamente em todas as direções.

No entanto, parte desta luz é absorvida pelos átomos do rubi sintético.

O que ocorre é que os elétrons dos átomos de rubi (uma forma de óxido de alumínio cristalizado) permanecem em condições normais num determinado nível de energia ou órbita, conforme mostra a figura 2.

 

Sem excitação os elétrons permanecem nos níveis mais baixos de energia.
Sem excitação os elétrons permanecem nos níveis mais baixos de energia.

 

 Quando incide luz no rubi, e a energia que esta luz contém dada pelo seu comprimento de onda é suficiente para retirar os elétrons de sua órbita, eles saltam para um nível mais alto, conforme mostra a figura 3.

 

Ao absorver energia o elétron
Ao absorver energia o elétron "salta" para um nível mais elevado.

 

 Neste salto, o átomo em que isso ocorre, absorve energia e mantém esta energia enquanto os elétrons estiverem numa órbita mais elevada.

Nas condições normais, ou sem excitação, a maior parte dos átomos está com os seus elétrons nos níveis mais baixos de energia, ou seja, eles não estão excitados.

No entanto, com o forte flash da lâmpada de xenônio temos a liberação de energia numa quantidade que é suficiente para levar a maior parte dos elétrons do rubi a um nível mais alto de energia. Ocorre, nestas condições algo que é fundamental para se obter o efeito LASER: a maior parte dos elétrons em níveis altos de energia ou uma "inversão de população".

Entretanto, os elétrons não podem se manter indefinidamente no estado mais elevado de energia, pois trata-se de uma condição instável dos átomos.

Isso significa que, pouco tempo depois, os elétrons começam a saltar de volta para seus níveis originais de energia, o que faz com que eles "devolvam" a energia absorvida na forma de um quantum de luz, ou seja, um fóton.

O comprimento de onda deste fóton, ou seja, a cor da luz que vai ser emitida depende do salto que o elétron vai dar para voltar ao nível original, ou seja, a energia que ele devolve. Assim, como todos os átomos de rubi são iguais também são todos os saltos e com isso a cor da luz que vai ser produzida quando os elétrons voltarem ao seu nível original, conforme mostra a figura 4.

 

Ao voltar para um nível mais baixo de energia o elétron emite radiação eletromagnética.
Ao voltar para um nível mais baixo de energia o elétron emite radiação eletromagnética.

 

 É por este motivo que a luz emitida por um LASER é monocromática, ou seja, tem um único comprimento de onda.

Mas, é no processo de devolução da energia pelos elétrons que saltam para os níveis mais baixos que temos o fenômeno mais interessante.

Quando um primeiro elétron, depois da absorção, volta ao seu nível original devolvendo energia, ele estimula outros que estão próximos a fazer o mesmo.

Isso significa que um elétron, quando volta ao nível original estimula outro e temos dois fótons. Dois fótons estimulam mais dois elétrons e temos quatro fótons. O efeito rapidamente se multiplica como uma reação em cadeia e numa fração de segundo, e de modo quase que sincronizado, todos os elétrons são forçados a devolver sua energia.

O espelhamento do bastão de rubi ajuda muito na determinação do modo como a luz é produzida. Refletindo nas faces espelhadas a quantidade de fótons liberados aumenta rapidamente até o ponto que eles não podem ser refletidos. Os fótons rompem então o espelhamento mais fino passando na forma de um feixe de luz muito estreito.

A explosão de luz obtida é violentíssima, com a concentração de uma enorme quantidade de energia com características especiais.

Assim, toda a energia que é absorvida em milésimos de segundo é devolvida em bilionésimos de segundo de uma forma especial.

Se, por exemplo, a energia absorvida num intervalo de 1 milésimo de segundo corresponde a 1 watts, se ela for devolvida em 1 bilionésimo de segundo, corresponderá a uma potência de 1 milhão de watts.

 

Como o LASER concentra a energia.
Como o LASER concentra a energia.

 

 Esta é uma primeira característica importante do LASER, a concentração de energia que o leva a potências extremamente elevadas.

A segunda característica, conforme vimos, está no fato desta energia consistir em luz de comprimento único de onda ou frequência única. Para o rubi temos a emissão de uma luz avermelhada.

A terceira característica está na coerência da luz. Todos os fótons são emitidos praticamente ao mesmo tempo e na mesma direção obtendo-se um feixe de luz muito estreito que praticamente não "abre" como ocorre com o feixe de luz produzido por um farol ou por uma lanterna, conforme mostra a figura 6.

 

O feixe de luz do LASER.
O feixe de luz do LASER.

 

 Num LASER comum o feixe produzido pode ser mais fino que um fio de cabelo e isso é muito importante em aplicações críticas como os leitores de CDs.

Observe que um feixe de luz com as características descritas tanto pode ter efeitos destrutivos como pode ser importante em aplicações eletrônicas de precisão.

De fato, a grande quantidade de energia concentrada permite que um feixe de luz vaporize materiais como o aço, furando grossas chapas.

Mas é na eletrônica que uma luz com as características do LASER encontra uma vasta gama de aplicações.

 

O diodo LASER O exemplo de LASER que vimos baseia-se no bastão de rubi. No entanto, existem muitos outros materiais que manifestam propriedades semelhantes e portanto podem ser usados na fabricação de LASERs.

Um primeiro tipo de LASER a ser citado é o de Hélio-Neon pelas suas características de baixo custo e fácil manuseio.

Na figura 7 temos um tubo de LASER deste tipo que é excitado com uma tensão de alguns milhares de volts.

 

Um tubo de LASER HeNe.
Um tubo de LASER HeNe.

 

 Para a eletrônica, entretanto temos um tipo especial de LASER que é diodo LASER ou LASER semicondutor.

A estrutura básica de um diodo LASER é mostrada na figura 8.

 

Estrutura de um LASER de estado sólido.
Estrutura de um LASER de estado sólido.

 

 Conforme podemos ver, a estrutura básica e o próprio material são os mesmos usados nos LEDs. Na verdade, podemos dizer que um LED é um "quase LASER". O que falta para o LED chegar a ser realmente um emissor LASER será percebido nas explicações que daremos a seguir.

O que ocorre neste tipo de dispositivo é que a circulação de uma corrente pela junção, quando polarizada no sentido direto, faz com que os elétrons do material saltem de suas órbitas absorvendo energia.

Nos LEDs a devolução da energia na forma de luz monocromática se faz de forma suave e constante, pois não temos as condições de inversão de população necessária ao efeito de "reação em cadeia" na devolução desta energia.

O LED acende suavemente com luz que depende do material de que ele é feito. Substâncias usadas como dopantes permitem que luz de diversos comprimentos de onda sejam emitidos e portanto que sejam fabricados LEDs de diversas cores.

 

As faixas de emissão dos LEDs são estreitas.
As faixas de emissão dos LEDs são estreitas.

 

 No diodo LASER o estímulo é mais intenso, com correntes maiores e, além disso, a própria estrutura do material favorece a absorção de uma quantidade maior de energia e portanto a obtenção da condição de inversão de população.

Quando a energia é devolvida o dispositivo emite então a radiação que caracteriza o LASER.

Os diodos LASER são dispositivos extremamente pequenos e eficientes. Os primeiros tipos emitiam radiação apenas na faixa do espectro correspondente ao infravermelho, mas hoje existem diodos LASER que emite luz na faixa visível.

Um exemplo de dispositivo muito comum que emite radiação visível (vermelha) a partir de um diodo LASER é o LASER POINTER mostrado na figura 10.

 

Usando um LASER POINTER.
Usando um LASER POINTER.

 

 Do tamanho de uma caneta comum este dispositivo emite um feixe que projeta uma seta ou outra forma indicadora num painel ou qualquer anteparo, sendo usado por conferencistas.

O feixe muito estreito que gera esta imagem, mais a potência elevada permite a obtenção de uma seta indicadora muito brilhante, facilmente vista por todos.

Mas, é em dispositivos como o CD comum e o CD-ROM que o LASER semicondutor manifesta toda sua utilidade.

Conforme mostra a figura 11, as informações num CD são gravadas na forma de pequenas saliências ou "pits" numa superfície lisa.

 

CD em corte muito ampliado.
CD em corte muito ampliado.

 

 A leitura das informações ou dos "pits" que indicam os níveis lógicos 0 ou 1, é feita justamente por um feixe de luz emitido por um diodo LASER.

Na presença do pit a luz se reflete de modo diferente do que quando ele está ausente e isso permite que um foto-diodo, usado como sensor e devidamente focalizado faça a leitura da informação.

Quando o CD gira o sistema óptico de leitura acompanha as trilhas deslocando-se transversalmente de modo a procurar as trilhas e com isso as informações podem ser lidas.

Considerando-se as dimensões dos pits fica claro que este dispositivo óptico de leitura deve ter enorme precisão, mas o mais importante é a densidade de informações que se consegue gravar num único CD.

Mais de 550 Megabytes de informação que tanto pode ser som como informação digital podem ser colocadas num único CD.

Novas tecnologias que permitem ler "pits" em profundidades diferentes ou nas duas faces dos CDs já permitem que a quantidade de informação gravada seja muito maior, conforme mostra a figura 12.

 

Um CD de duas camadas com o sensor focalizado na primeira.
Um CD de duas camadas com o sensor focalizado na primeira.

 

 No entanto, mesmo aumentando a densidade dos dados gravados ou modificando-se a profundidade, o diodo LASER ainda vai estar presente como principal dispositivo envolvido no processo de leitura.

 

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