FIAT LUX - Meio século de laser

Por Vanderlei Salvador Bagnato*
Publicado originalmente na Revista Pesquisa Fapesp

Crédito: CEPOF

A utilização do laser está tão comum hoje que muitos nem lembram que um dia ele foi inventado. O instrumento está tão popularizado, que parece que ele passou da ficção científica para a realidade há tempos que se perdem de vista. Mas a história desse fantástico instrumento não é tão velha assim.  Em 2010, comemoramos os 50 anos de existência de sua invenção.


Alguns dos protagonistas principais dessa façanha estão ainda vivos e, por incrível que pareça, os verdadeiros créditos de sua invenção ainda são debatidos. Vamos falar um pouco de sua história e depois de sua importância.

A invenção do laser não foi obra do acaso e de fato envolveu uma disputa de renomados cientistas. No final da década de 1950, a corrida para chegar ao laser começa nos laboratórios da antiga Bell Telephone Laboratories, em Nova Jersey, Estados Unidos. Anos antes, no mesmo laboratório, grupos de cientistas liderados por Charles H. Townes (trabalhando como consultor da Bell, mas com cargo permanente na Universidade Columbia), desenvolveram a ideia de um dispositivo que poderia amplificar de forma ordenada a radiação eletromagnética no regime de microondas. Em 1953, a proposta foi bem-sucedida e nascia o maser, irmão mais velho do laser, que obedece princípios semelhantes, porém operava na região espectral do microondas.

Após essa magnífica demonstração, muitos cientistas de forma independente tiveram a ideia de aplicar o mesmo princípio, só que na região do espectro visível. Dessa forma, produziram um raio de luz coerente de baixa divergência visto antes apenas nos filmes do Flash Gordon. Diferentes propostas foram testadas em diferentes laboratórios.  Por volta de 1960 entra no cenário da competição mais um personagem: Theodore Harold Maiman (1927-2007), um engenheiro dedicado à física que havia sido aluno de W. Lamb, na Universidade de Stanfort, e tinha trabalhado com física atômica.  Maiman fez acordos especiais com o laboratório em que trabalhava para poder testar suas ideias na produção de luz coerente. Diferentemente de Arthur L. Schawlow (1921-1999), outro pioneiro do setor, e seus colaboradores que trabalhavam para gerar luz laser a partir de vapores atômicos, Maiman propôs produzir luz coerente a partir de um cristal de rubi. Foi bem-sucedido nessa aposta em maio de 1960, mostrando ao mundo os primeiros pulsos de luz amplificada por emissão estimulada: nascia o laser.

A cada semana, uma centena de novos usos do laser é proposta ou demonstrada na literatura científica

O dispositivo funciona por meio da chamada emissão estimulada, que consiste no seguinte. Vamos supor a existência de um elétron que esteja num estado que não é aquele no qual ele tem menor energia. Estamos então nos referindo a um estado excitado. Esse elétron excitado apresenta uma forte tendência a ir para o nível de mais baixa energia. Porém, esse processo sozinho é extremamente demorado para ocorrer. Mas pode ser antecipado com a ajuda de um agente externo, que estimula o processo. O agente externo, nesse caso, é uma porção de luz denominada fóton. Dessa forma, um fóton externo estimula o decaimento do elétron excitado. Ao passar para o estado de energia mais baixa, o elétron emite um fóton que emerge do sistema juntamente com aquele que causou a transição. Desse modo, na emissão estimulada, o fóton estimulador (externo) sai intacto e o fóton gerado é o seu irmão gêmeo. É um verdadeiro processo de clonagem de luz.

Esses dois fótons que emergiram da emissão estimulada vão perturbar outros átomos com elétrons em seus estados excitados, havendo emissão de mais fótons que se juntam aos iniciais. O processo ocorre como se fosse uma avalanche de emissões estimuladas. Após vários passos, os fótons que se movimentam através do eixo principal da cavidade óptica do laser – que é composta pelos espelhos ao redor do meio ativo – constituirão um feixe que apresenta uma intensidade considerável. Uma abertura ou a reflexão parcial num dos espelhos das extremidades permite que, continuamente, uma fração dessa luz deixe o sistema. Essa fração é que constitui o feixe de luz laser.

Muitos centros de pesquisa científica e tecnológica, espalhados por todos os cantos de nosso planeta, dedicam-se integralmente ao estudo do laser e de suas aplicações. Num futuro não muito distante é possível que tenhamos lasers implantados dentro de nosso corpo para realizarem diagnósticos de distúrbios ou doenças – e que também poderão promover o tratamento adequado desses problemas de saúde. A cada semana, cerca de uma centena de novos usos do laser em diversos campos da ciência são propostas ou demonstradas na vasta literatura mundial sobre esse tema.

Dada a enorme importância do laser na atual sociedade moderna, seu conhecimento deixa de ser importante apenas para os especialistas e passa a ser de interesse de todos aqueles que procuram conhecer o mundo ao seu redor. Aqui no Brasil temos diversos centros trabalhando em desenvolvimento e aplicativos de lasers. As contribuições são diversas, indo desde o controle dos átomos, passando por investigações de propriedades de materiais e aplicações industriais até o próprio desenvolvimento de novos lasers. É certamente uma área fantástica para quem quiser fazer a diferença em ciências, pois as oportunidades estão se expandindo. Para saber mais desse maravilhoso instrumento e suas aplicações há diversos livros no mercado. Laser e suas aplicações em ciência e tecnologia (Editora Livraria da Física, 88 páginas), pelo autor desta coluna, é uma das opções.

*Vanderlei Salvador Bagnato é físico, engenheiro, professor da USP e membro titular da Academia Brasileira de Ciências.