A palavra LASER é um acrônimo para 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.
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 apropriado, temos a emissão de luz que vai conter a energia que desejamos amplificar.
Esta luz, entretanto, não tem as características próprias do que se denomina LASER. Trata-se de uma luz comum contendo diversas freqüências 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.
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.
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 estará em níveis altos de energia havendo então 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.
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 fazerem o mesmo.
Isso significa que um elétron, quando volta ao nível original, estimula outro e como resultado teremos 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 ‚ produzida.
Refletindo nas faces espelhadas a quantidade de fótons liberados aumenta rapidamente até o ponto que eles não mais podem ser refletidos. Os fótons rompem então o espelhamento mais fino passando na forma de um feixe de luz muito estreito e potente.
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 watt, se ela for devolvida em 1 bilionésimo de segundo, corresponderá a uma potência de 1 milhão de watts.
Esta é uma primeira característica importante do LASER, a concentração de energia que o leva à 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.
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 e DVDs. 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.
