Lasers : Saiba mais sobre essa tecnologia que está no nosso dia-a-dia !

Desenho de um menino descendo em uma sala repleta de lasers, pendurado por um cabo, paralelo com o chão.

Você já viu nos filmes. Você já viu nos sistemas de segurança. Ou até já brincou com o seu, que devia ser parecido com este :

Fotografia de um clássico chaveito com laser, muito famoso nos anos 90, vindo diretamente do Paraguai !

Mas afinal, o que é um LASER? Do que são feitos, para que servem? Não percam hoje no Globo Repórter ! Para responder todas as nossas perguntas, Ricardo Matos, nosso químico favorito está de volta. Depois de nos mostrar 5 tecnologias que estarão presentes no nosso dia a dia, Ricardo volta com todos os seus conhecimento sobre lasers.




Um químico falando sobre lasers? Laser é química? Não exatamente... mas ele manja dos paranauê por trabalhar no Centro de Lasers e Aplicações do IPEN (Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares) que fica dentro da USP, em São Paulo. Então ele trouxe todo seu conhecimento de lá para cá !

Mas laser é só uma luzinha vermelha pra gente apontar na parede ou sacanear os amigos? Não ! O laser é algo muito importante no nosso dia a dia. Está no leitor de cd, no sistema de segurança do banco, em máquinas de solda, centros cirúrgicos... e até no chaveirinho pra apontar na parede ou sacanear os amigos !


Existem vários tipos de laser :

Desenho do personagem Dart Vader, ao lado de um menino, e ao fundo pode-se ver a Estrela da morte, nave espacial no formato de um planeta, toda redonda, com um laser saindo de três pontas e se unindo ao meio.
Como por exemplo o laser da Estrela-da-morte, imponente arma de destruir planetas! ... oO
Os de rubi que são os utilizados na remoção de tatuagens, os de semicondutores são aqueles que estão nas canetas. Ainda há os de Nd:YAG, muito utilizados na indústria. Mas todos eles são iguais? Éééé maais ou meenos. Vamos ver juntos!

Primeiro temos que saber porque a luz laser é tão diferenciada e importante. Bem, isso acontece porque toda luz produzida por um LASER caracteriza-se por apresentar 4 características especiais:
  •         Ser monocromática (comprimento de onda bem definido - azul, verde, vermelho, ...),
  •         Coerente (todos os fótons em fase),
  •         Direcional (propagação paralela das ondas) e
  •         Poder ser focalizada para altas intensidades
Características que dificilmente conseguiríamos com uma lâmpada normal e por isso tornam os lasers muito importantes para o homem atualmente, o que justifica as variadas aplicações, como:

Vídeo de um robo que lembra uma aranha, que caminha até certo ponto, e depois dispara lasers em balões de festa, os estourando.
Potentes armas de destruição em massa !

       Modelar/perfurar/soldar peças metálicas
       Cirurgias oftálmicas
       Brincar com gatos
       Clareamento de dentes
       Depilação
       Atrapalhar goleiro na hora do pênalti
       Leitor de código de barras
       Remover tatuagens
       Apagar as lâmpadas da rua
       Impressoras a LASER, e muitas outras.


Video de um gato se esquivando de lasers.
Lasers são úteis no “adestramento” de gatos !

As aplicações são diversas, mas...

Do que é feito basicamente um laser? De onde surgiu?

O primeiro LASER foi desenvolvido no início da década de 1960 pelo físico norte-americano Theodore Maiman. LASER na verdade nada mais é do que uma sigla, que vem do inglês Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, ou em “bom” português, Amplificação da Luz por Emissão Estimulada de Radiação. Pode parecer um pouco confuso, mas vamos explicar algumas coisas antes:

Todo laser é composto por 3 componentes básicos: bombeamento, meio de ganho e ressonador óptico.

Diagrama mostrando como funciona o laser. é um resumo de tudo o que está escrito na explicação.

O meio de ganho corresponde ao principal componente de um laser. É nessa região que ocorre a geração da luz e a definição das principais características dela, como a cor por exemplo.

Meio de ganho define o tipo de laser e pode ser:
  • Sólido (diodo, rubi, Nd:YAG, Ti-Safira, por ex.)
  • Líquido (lasers de corante, por ex.)
  • Gasoso (CO2 e excímeros, por ex.)

Para que o meio de ganho funcione é necessário o bombeamento, que tem como função injetar energia no sistema, fazendo com que os elétrons do meio de ganho fiquem mais energéticos. Estes elétrons então perdem/liberam essa energia “extra” na forma de luz, voltando a sua energia inicial (estado fundamental).

Bombeamento pode ser feito:
  • Descarga em gases (lâmpadas)
  • Corrente elétrica
  • Bombeamento óptico (outro LASER).

O ressonador óptico é um conjunto de dois espelhos, no qual um reflete totalmente a luz (100%) e outro que deixa passar apenas uma pequena parte da luz, ou seja, reflete 99% a luz. Assim, a luz gerada no meio de ganho é refletida sucessivas vezes a fim de amplificar a energia e torná-la direcional, é como se a luz ficasse batendo diversas vezes entre um espelho e outro até conseguir sair pelo de menor reflexão, sendo que toda vez que a luz passa pelo meio de ganho ela ganha mais energia (pela emissão estimulada).

A emissão estimulada ocorre no meio de ganho é o coração do laser! É um conceito introduzido por Einstein no qual ao incidir radiação em um material em que a maioria dos elétrons estejam no estado excitado (inversão de população), estes decaem ao estado fundamental emitindo a mesma radiação que foi incidida inicialmente, ou seja, a radiação inicial é duplicada!! No laser isso ocorre milhares de vezes, sobretudo porque a radiação produzida bate nos espelhos voltando para o meio de ganho, amplificando ainda mais a radiação.

Diagrama demonstrando os momentos antes, durante e após a emissão do laser, com foco no átomo. Isto é explicado ao longo do texto.

Como resultado tem-se uma luz de alta intensidade, coerente, monocromática e direcional!

O que define a cor do laser é o ΔE, ou seja, a diferença de energia entre o nível excitado e o nível fundamental. Tal característica depende do material do meio de ganho. 

Por exemplo, um laser azul terá um ΔE maior do que um laser vermelho, uma vez que a cor azul tem mais energia que o vermelho.

No vídeo a seguir demonstra-se o funcionamento de um laser :


Ou faça você mesmo, neste simulador

Ainda não entendeu? Com a palavra, mestre Lee :

Fotografia do ator e lutador marcial Bruce Lee. ele está em posição de luta, ao fundo se vê muito fogo, e há um balão com a seguinte frase atribuida a ele : "O guerreiro vencedor é o homem comum com foco laser".
這篇文章很不錯,李小龍
Obrigado!

Lembre-se também que NUNCA devemos olhar diretamente para um laser, pois ele pode cegar !

Montagem de fotos com os jogadores Neymar, Messi e Cristiano Ronaldo. Todos eles estão sendo iluminados com um laser verde. Algum torcedor faz isso para atrapalhar a visão deles. Ainda há um goleiro  preparado para defender um penalti que também está com um laser nos olhos, assim como um jornalista da Rede Globo, que está apresentando o jornal dentro do estúdio, com uma janela voltada para a rua do lado dele. Ao centro, uma mensagem de alerta para não  olhar diretamente para o laser, aviso que está colado em qualquer emissor de laser.

Muito menos apontar nos olhos dos jogadores do outro time ou no apresentador do seu telejornal favorito !

Fotografia de Bruce Lee, com uma expressão de estar conversando com alguém. Na foto,  há um balão aonde ele estaria perguntando : "Então isso pode machucar ?".

Sim mestre! Além de poder cegar, lasers podem causar muitos danos à saúde humana, dependendo do tipo e intensidade:

Ilustração com o personagem Homer Simpson sendo alvo de vários lasers. Ao lado, um texto descreve os principais tipos de lasers e seus perigos. Uma caneta laser, de 3 mW, é muito brilhante e pode machucar a retina, porém o piscar reduz a ação. Além desse, o Laser Nd:YAG pode provocar queimaduras na pele e em roupas, fora a sua versão industrial, usado apenas em soldas, totalmente perigoso para o ser humano !
Já que estamos falando de segurança, os lasers podem ser classificados conforme sua potência em 4 níveis, do mais brando (nível 1) até o mais forte (nível 4), da seguinte forma:


Tabela com os principais perigos do laser, e aonde eles são encontrados. O laser que está em impressoras a laser, cd e dvds não é um laser perigoso, ele só é perigoso quando visto por uma lupa ou binóculo. Já o do scanner de código de barra só é perigoso se olhado durante muito tempo. Chaveiros e canetas lasers oferecem certo perigo olhado a olho nu. projetos de laser para festas são perigosos se expostos durante muito tempo diretamente na pele, já os lasers para operação nos olhos são tão perigosos que podem causar incêndios.


Vamos agora explicar um pouco sobre seis aplicações muito interessantes de laser :

Laser Pointer - Chaveiro/caneta laser
Quem nunca brincou de tentar cegar o amigo com um desses? Ou utilizou em alguma apresentação de slides?

Desenho com os personagens Mario e Sonic, dos vídeo-games. Sonic está com uma caneta laser apontando no Mario e ele está pegando fogo !


Pois é, mas isso é mesmo um laser ou fomos enganados?
Sim, é um laser, no qual o meio de ganho é um diodo semicondutor. As cores podem variar de vermelho, verde ou azul, dependendo do material do diodo. A intensidade desse tipo de laser é baixa, mas suficiente para causar danos aos olhos!

Este tipo de laser é muito utilizado também em miras de armas devido ao seu longo alcance. Ou para desligar as lâmpadas dos postes (se mirado no sensor que fica acima da lâmpada). ;)

Neste desenho, agora é o Mario que está queimando o Sonic com uma caneta laser.


Para quem quer se destacar e agregar valor aos seus óculos, fica a dica!

Foto-montagem de um passo a passo para fazer um óculos como o do personagem Ciclope, porém é uma piada : o rapaz pegou um óculos escuro e colou seis chaveiros laser na frente das lentes ! como legenda da foto ainda estava escrito "As mina pira !!!"


Mais detalhes sobre o funcionamento deste tipo de laser são apresentados neste vídeo :


Cirurgias oftálmicas
Com o uso de laser é possível fazer correções oculares, como nos casos de miopia, astigmatismo e hipermetropia. O procedimento é rápido e simples, como mostrado abaixo.

Ilustração de um passo-a-passo da operação a laser nos olhos : um primeiro laser remove tecidos da superfície da córnea, então outro laser é disparado nos olhos para que sejam feitas as correções necessárias.

De forma geral uma fina camada de córnea é levantada com posterior aplicação do laser, que retira parte do tecido desejado, corrigindo a visão. Geralmente utiliza-se um laser de fluoreto de argônio (meio de ganho).

O procedimento completo é também apresentado neste vídeo não recomendado para pessoas sensíveis !

A capacidade de fazer cirurgias oftálmicas é o mesmo que faz do laser muito perigoso para a visão (quando mal utilizado). Se compararmos uma lâmpada comum com um feixe laser, observamos que a irradiância (potência/área) é muito maior no laser, ou seja, muito mais energia chega em um mesmo espaço. O que, se aplicado por um tempo prolongado, pode causar sérios danos à visão! (obs.: Prolongado, neste caso, pode ser segundos!)

Solda a ponto LASER e Armas a LASER

Animação de um laser cortando aço

Quando empregado laser de alta energia, coisas incríveis como soldagem ou até mesmo destruir um míssil ou avião são possíveis!

Veja neste vídeo um exemplo de soldagem a laser : a potência não é nada baixa, são mais de 2000 W!

Ou ainda estes dois vídeos, no qual um caça e um míssil são destruídos em pleno voo !

O funcionamentos destes lasers é exatamente como o apresentado (3 componentes), sendo que o meio de ganho geralmente é um cristal de Nd:YAG. Um sistema óptico externo pode ser utilizado para aumentar a potência.

Leitor de código de barras

Ilustração de um código de barras com o laser passando sobre ele. O código de barras são varias linhas pretas e brancas paralelas. a espessura de cada linha signifca um número, que o computador decifra esse código.

Quem nunca passou raiva com uma máquina dessas que não lia o código?

Pois é, mas aquela luz vermelha que sai também é um laser, e deixa nossas vidas mais fáceis.
O funcionamento é simples : um laser de baixa potência gera luz e esta é espalhada horizontalmente por espelhos. Ao bater no código de barras as faixas pretas absorvem a luz, ao passo que as brancas refletem a luz para dentro do aparelho, sensores então detectam a posição desta luz refletida e interpretam o código (valor do produto, valor da conta, valor a ser pago, valor debitado, valor ...).

Ilustração de como funciona a leitura do código de barras. a imagem mostra o laser saindo de um sistema, batendo no código de barras e retornando para um detector, ao lado do emissor de laser. Estes estão ligados a um computador.

Remoção de tatuagens
Arrependido de tatuar o nome da ex?  Ou aquela tatuagem que ficou péssima? Pois é, com o uso de laser, esses problemas podem ser resolvidos!

Foto-montagem de uma menina com várias estrelas tatuadas no rosto em uma foto de 2009, e ao lado uma foto de 2013, quase sem nenhum vestígio das tatuagens, removidas por laser.

Utilizando laser é possível degradar os pigmentos de tinta até as camadas mais profundas da pele. São várias sessões como a apresentada neste vídeo. Para ver mais detalhes de como o laser remove uma tatuagem, veja esta animação. O preço? Ah... o preço pode variar né : de R$ 400, R$ 600 a sessão, até R$ 3000 ou R$ 5000, dependendo do caso e tamanho da tatuagem.

Holografia

Fotografia de um carrinho de brinquedo de um lado, e a projeção em laser deste carrinho em um acrílico logo ao lado dele.

Projeções de objetos? Com o uso de laser isso é possível, é a chamada holografia, ou holograma. Para tal divide-se um feixe de laser em dois, parte bate em um espelho e outra bate no objeto de estudo, ao sobrepor as imagens forma-se o holograma. Assim :

Ilustração de como se faz um holograma : O laser é disparado a uma série de espelho, batendo no objeto que reflete em um acrílico.


Fotografia do esquema de holograma, demonstrando o disparo do laser em espelhos, no objeto, e sua projeção.

É necessário um objeto real, e a projeção é em 2D. Sistemas um pouco mais robustos são necessários para uma projeção 3D.

Há ainda um outro sistema de holografia, sem a utilização de laser, e sim um projetor. No qual ótimos resultados foram alcançados, como os shows de Renato Russo, Cazuza e Tupac recentemente ! 

WHAT??? Sim, os shows em hologramas, projeções em 3D desses artistas. É possível reconstruir imagens em três dimensões, inclusive pessoas, com movimento e tudo. Confira o vídeo do Tupac em 2012 (morto desde 1996) e Cazuza em 2013 (falecido em 1990). Leia mais detalhes técnicos sobre  o holograma de Tupac aqui.

Desenho do personagem Ciclope disparando lasers em um vilão que está pulando em cima dele.
O laser também se faz presente na luta do bem contra o mal !
Lasers são muito úteis no nosso dia a dia, e serão cada vez mais. Veja aqui aplicações mais “futuristas”. 

Esperamos que tenha gostado deste artigo ! 

Agradecemos a André Luiz, que fez os desenhos deste artigo. Conheça mais de seu trabalho, e seus personagens no Tirinhas do Freeky !

Sobre o autor :
Ricardo Matos é bacharel em química pela Universidade Federal de São Paulo em 2011, atualmente cursa o mestrado na mesma instituição e gerencia sua própria empresa na área de estudos estatísticos, a Qualimetrics – Qualidade Laboratorial & Estatística. Encontre-o pelas redes sociais
  

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Leia também o artigo anterior do Ricardo : 5 tecnologias que estarão presentes no nosso dia a dia !
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