A aplicação do laser e do maser a finalidades tão diversas quanto a elaboração de holografias, as comunicações eletrônicas, a fabricação de relógios de alta precisão, a reprodução de gravações sonoras, a microcirurgia, a astronomia por satélite e muitas outras revolucionou a ciência e a tecnologia.

Laser é um dispositivo utilizado na amplificação e geração de ondas de luz que, ao contrário das ondas produzidas pelas fontes comuns, em vez de se difundirem, se propagam na mesma direção, com a mesma freqüência e sincronizadas com a freqüência da fonte de radiação, produzindo intensos feixes de luz coerente. A palavra é formada pelas iniciais da expressão inglesa light amplification by stimulated emission of radiation (amplificação da luz por emissão estimulada de radiação).

Maser é um sistema análogo ao laser, que opera, no entanto, na região de microondas do espectro eletromagnético. Consiste num oscilador, composto de uma fonte de átomos ou moléculas em estado de excitação (isto é, instáveis e capazes de liberar facilmente energia sob forma de radiação), e num ressonador, que armazena a radiação ali emitida. O nome deriva da expressão inglesa microwave (ou molecular) amplification by stimulated emission of radiation: amplificação de microondas (ou amplificação molecular) por emissão estimulada de radiação.

As primeiras descobertas sobre emissão estimulada de radiação devem-se a Albert Einstein, que em 1917 publicou em artigos os princípios teóricos que regem o fenômeno. Em 1953, o americano Charles H. Townes inventou o maser, que, aperfeiçoado pelos russos Nikolai Basov e A. M. Prokhorov, viria a dar origem ao laser, pelo que os três pesquisadores ganharam o Prêmio Nobel de física em 1964.

Fundamentos físicos do laser. Os conceitos criados pela mecânica quântica em meados do século XX descrevem o átomo como um conjunto formado de um pequeno núcleo carregado positivamente, ao redor do qual se encontra uma quantidade variável de elétrons -- cargas elementares negativas -- dispostos em orbitais de energias discretas. A passagem de elétrons de órbitas mais externas para outras mais próximas ao núcleo provoca uma emissão energética na forma de radiação luminosa, conhecida como fóton. Para o efeito laser, é necessário manter a emissão luminosa desse tipo e, para tal, os níveis mais altos (exteriores) de energia dos átomos precisam ser permanentemente realimentados.

A propriedade de coesão, fundamental para que as características de intensidade e capacidade de penetração do laser sejam alcançadas, requer que o nível inferior a partir do qual os elétrons são deslocados seja o mesmo para todos os átomos. Dessa forma, tanto a amplitude quanto a freqüência dos raios emitidos durante a transição eletrônica é ampliada, o que se traduz numa radiação emergente monocromática e potente, com um grau de dispersão mínimo, o que a faz, portanto, praticamente linear.

Os primeiros dispositivos de laser utilizavam cristais de rubi sintético como material emissor, constituído de óxido de alumínio, que contém pequena concentração de íons de cromo e é colocado entre duas placas paralelas de um interferômetro. A incidência de radiações na faixa de absorção verde do rubi leva os íons de cromo a um nível energético determinado. Produz-se então uma rápida transição não radioativa para dois níveis intermediários de excitação. O laser é construído de modo que o mais alto dos níveis de energia seja mais densamente preenchido do que o nível mais baixo.

Durante a transição entre os diferentes níveis de energia, os íons emitem luz vermelha. Quando essa luz se encontra na mesma freqüência, eles são estimulados para tornar a transição mais rápida e para produzir um intenso feixe daquela luz vermelha. Essa operação exige uma fonte de luz tão poderosa que só pode operar durante um pequeno intervalo de tempo. A partir de então o rubi funciona como laser pulsativo.

O laser a gás emprega, como emissora, uma mistura adequada de elementos gasosos, normalmente hélio e neônio. Ao ser atravessada por uma carga elétrica, tal mistura recebe uma quantidade de energia suficiente para aumentar a freqüência das colisões entre suas moléculas e provoca a transição energética de seus elétrons para níveis superiores.

Outros equipamentos utilizam mecanismos de excitação similares sobre determinadas substâncias orgânicas líquidas, como o benzeno e o tolueno; sobre semicondutores à base de germânio e silício; e sobre um plasma, definido como um quarto estado da matéria, em que os átomos perdem todos os seus elétrons por exposição a temperaturas elevadas.

As vantagens oferecidas pelo laser em relação às demais radiações decorrem de sua alta direcionalidade e coesão. Dessa forma, os raios luminosos concentram-se num feixe estreito, o que resulta em aumento considerável de sua potência. Além disso, a coesão do laser permite alta precisão tanto na freqüência quanto na fase associada a essa radiação, e elimina por completo qualquer interferência interna com elevada pureza de emissão.

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