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 03/07/2018

Emissão estimulada – o segredo do raio laser

Explicamos antes que a luz é uma entidade quântica que pode tanto se comportar como onda quanto como partícula, os chamados fótons (não leu? clique aqui). Mas como a luz é transformada no raio laser, com tantas utilidades na indústria (e vários outros setores)?

A forma como são emitidos os fótons é o princípio fundamental do laser. Complicado? Um pouco, mas fascinante também. Esse artigo explica como funciona a emissão estimulada, que diferencia o laser de outras fontes de luz.

Emissão Estimulada

Para entendermos melhor como acontece a emissão estimulada, temos que lembrar da constituição do átomo.

O átomo, como todos sabem, é a unidade básica da matéria. Segundo o modelo atômico de Rutherford – Bohr, dentro do átomo existe um núcleo, de carga positiva, e ao redor dele existem órbitas nas quais ficam os elétrons. Quando um elétron está na órbita mais afastada do núcleo, ele está em um estado de maior energia, ou “excitado”. Quando o elétron está na órbita mais próxima, ele está no estado de menor energia, ou “estado fundamental”.

Quando os elétrons mudam de órbita, ocorre o fenômeno da emissão e absorção de fótons. Albert Einstein, como decorrência do estudo de vários outros cientistas, construiu uma descrição completa dos processos fundamentais e das propriedades do fóton:

↳Absorção

Ao absorver fótons, o elétron acumula energia, e passa para as órbitas mais distantes do núcleo.

↳Emissão Espontânea

O elétron tem uma probabilidade constante de transitar para um estado (órbita) inferior. Quando isso acontece, ele perde energia e produz um fóton.

↳Emissão Estimulada

Quando um elétron excitado (que está na órbita de maior energia e com probabilidade constante de descender para uma órbita de menor energia) recebe a incidência de um fóton, ele libera outro fóton, idêntico ao incidido. Nesse processo, dois fótons são liberados, ao invés de um, como na emissão espontânea.

A emissão estimulada de fótons, que produz dois fótons com a mesma frequência.

Parece simples mas, para que um laser funcione, a emissão estimulada deve ser maior que a absorção. Acontece que, segundo Einstein, “Quando a luz incide num conjunto de átomos, a emissão estimulada e a absorção são igualmente prováveis”. Para lidar com isso, seu trabalho foi a fundo para incluir cálculos das probabilidades de transição entre os dois estados e também formas de fazer com que haja mais átomos nos maiores níveis do que em níveis inferiores (de energia).

A descoberta do fóton e da emissão estimulada permitiu a criação do raio laser, de luz coerente e colimada. Essas características permitem a aplicação de energia concentrada por um feixe de luz com diâmetro mínimo. Com as evoluções tecnológicas do laser de fibra, hoje é possível regular o diâmetro e o foco desse feixe facilmente, fazendo com que a luz seja capaz de cortar aço de várias espessuras.

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