Noções sobre a  Física do Laser
 
 



 
 
 
 
 

Prof. Dr. Jesus Djalma Pécora
Prof. Titular de Endodontia da FORP-USP
pecora@forp.usp.br
Prof. Aldo Brugnera Júnior
Prof. Titular de Laser da Faculdade de Odontologia da UCCB
Doutorando da FO - UFRJ
brugnera@globo.com.br



 

Noções elementares sobre a física dos lasers
 

Para se ter uma noção sobre a física dos laser faz-se necessário relembrar sobre o átomo.

Sabe-se que os sistemas atômicos são mantidos por meio de um conjunto de forças. O sistema atômico é composto por um núcleo, positivamente carregado e orbitados por elétrons, negativamente carregados.

Os elétrons que circulam ao redor do núcleo se posicionam em certos níveis de energia bem definidos, denominados orbitais.

De modo didático, podemos admitir, ainda, o modelo atômico proposto por Niels Bohr em 1913. Este modelo explica que os elétrons giram ao redor do núcleo em orbitais fixas e com energia definida.

As orbitais são chamadas de camadas eletrônicas, representadas pelas letras K,L,M,N,O,P e Q.

Para melhor entendimento do assunto devemos lembrar:

1- Os elétrons ao se movimentarem numa camada eletrônica não absorvem e nem emitem energia. Apenas um número de elétrons pode ocupar um dado nível de energia e nenhuma forma de radiação ocorre quando os elétrons se mantém em seus níveis orbitais.

2- Os elétrons de um átomo tendem a ocupar as camadas eletrônicas mais próximas do núcleo, isto é, as que apresentam menor quantidade de energia.

3- Um átomo está no seu estado fundamental quando seus eletrons ocupam as camadas menos energéticas.

4- Quando um átomo recebe energia (térmica ou elétrica) o elétron pode saltar para uma camada mais externa (mais energética) e nessas condições o átomo se torna instável.

5- Os elétrons de um átomo excitado tendem a voltar para as camadas de origem e, quando isto ocorre, ele devolve, sob forma de onda eletromagnética a energia, anteriormente, recebida.





Absorção e emissão espontânea de energia:

De acordo com Brugnera Júnior & Pinheiro (1998), o fenômeno de absorção de energia ocorre quando uma estrutura atômica estável reage com um fóton, passando a um estado mais energizado.

A energia de excitação pode ser causado por choque entre átomos, partículas e moléculas e, ainda, por ondas eletromagnéticas.

O estado estável correspondente ao nível mínimo de energia e ao receber mais energia passa ao estado excitado, pela absorção de energia externa ao sistema atômico.

O estado de excitação não é normal e o átomo excitado fica instável e deve retornar ao estado estável (repouso), liberando espontaneamente energia adicional.

Essa energia pode ser transformada em energia cinética durante as colisões, resultando em um aumento de temperatura. Essa perda de energia do sistema poderá, também, originar uma radiação eletromagnética.

A passagem de um estado atômico excitado para o estado de repouso se dá por meio de liberação de fótons de luz, isto é, emissão espontânea de radiação (FIGURA).

Cumpre salientar que a emissão espontânea de radiação é considerada incoerente porque os átomos liberam energia independentemente entre si, sem relação de fase, direção ou polaridade entre as emissões. Desta maneira a radiação é multidirecional. Apenas a freqüência é fixada pelo intervalo entre as emissões.

O processo de estimulação ocorre quando uma fonte energética fornece energia para uma átomo de um meio. Os átomos que absorvem parte da energia se tornam excitados e recebem mais energia do que podem reter. Eles retém essa energia por uma fração de segundo e, a seguir, liberam-a na forma de radiação laser.

Cavidade Óptica

O raio laser é gerado dentro de uma cavidade que recebe o nome de cavidade de Perot-Fabry. Essa cavidade consiste de uma câmara contendo um meio ativo.
 
 

O tamanho e a forma da câmara variam de acordo com o meio ativo (gasoso, líqüido-corantes, semicondutores, excímeros, químicos e cristais) e a potência do aparelho laser. Nesta câmara, dois espelhos com níveis de reflexão diferentes estão posicionados em suas extremidades. Um dos espelhos é totalmente refletivo (100%) e o outro, parcialmente refletivo (98%). A diferença de capacidade de reflexão dos espelhos permite a saída da radiação de dentro da cavidade, formando o raio laser.

A fonte de energia pode ser elétrica ou luminosa e alimenta o sistema de três modos distintos: a) contínuo - onda contínua; b) pulsada - onda com pulsos e c) desencadeadas ou Q-switched.

A emissão contínua é resultante da excitação contínua de um meio ativado por descarga elétrica (lasers gasosos). A emissão pulsátil ou chamada de "relaxada" é a resultante do bombardeamento pulsátil do meio ativo. Esse meio é progressivamente bombardeado até chegar a um nível de excitação suficiente para produzir emissão laser.

A emissão desencadeada ou "destravada" Q-switched ocorre em lasers pulsáteis e se verifica quando o bombardeamento é feito além do limiar de funcionamento, permitindo que a emissão ocorra quando tiver alcançado um nível suficiente. Produz, dessa forma, um pulso de energia de curta duração e picos bem maiores. Todos os processos de desencadeamento utilizam um dispositivo atenuador ou obturador de passagem de radiação na cavidade.

Meios Ativos:

Muitos materiais podem ser utilizados no interior de uma cavidade óptica e, assim, para cada meio ativo se obtém um tipo de laser. Os meios ativos podem ser:

a) Gasoso = CO2, Argônio, Criptônio, Hélio-Neônio;

b) isolantes dopados = Cr3+ , cristais de Nd:YAG, Er:YAG, Ho:YAG;

c) Corantes - corantes orgânicos diluídos em solventes líqüido (Rodamina 6G e Cumarina 2);

d) semicondutores - vários tipos de diodo;

e) excímeros - moléculas diatômicas (KrF, XeCl) e químicos - produzidos por reações exotérmicas (HF, CO).
 
 

Luz Laser
 

A luz laser consiste em ondas que apresentam um comprimento de onda específico e que corresponde à distância entre dois máximos e dois mínimos, medida na direção em que a onda esta se movimentando.

A freqüência é a quantidade de ondas que passam por um determinado ponto durante o tempo de um segundo.

As radiações eletromagnéticas são caracterizadas por sua freqüência, comprimento de onda e energia. A freqüência é dada pela equação ¦ f= c/l onde f é a freqüência, c é a velocidade da luz e l é o comprimento de onda.
 
 

Tabela de comprimento de onda de alguns tipos de lasers (dados em nm)
 

Tipo de laser Comprimento de onda  Tipo de laser Comprimento de onda 
Rubi 694,3 Ho:YAG 2100
He-Ne 543,5 verde e 632,8 invisivel Corante Cumarina 450
CO2 10.600 Corante rodamina 580
Argônio 481 azul, 514 vermelho Exímero ArF 193
Diodo 620 a 1500 KrF 248
Diodo AsGa 558    
Nd:YAG 1060 XeCl 308
Er:YAG 2940    

 

Potência

A potência de saída do aparelho de laser é medida, normalmente, em Watts, da mesma forma que em uma lâmpada comum.

Uma lâmpada incandescente de tugstênio comum com 10 watts de potência mal dá para clarear uma folha de um livro mas, um laser de 10Watts tem potência suficiente para furar o livro. Segundo Brugnera-Júnior & Pinheiro (1998) a energia do laser é amplificada e condensada ao contrário de uma lâmpada de 10 watts, pois essa luz é difusa e espalha-se em várias direções.

O processo de colimação da luz laser é produzido por lentes e espelhos, os quais regulam o tamanho do foco. Assim, o menor diâmetro do raio focado é diretamente proporcional ao comprimento de onda.

Densidade de potência

A densidade de potência é a concentração fotônica em dada unidade de área. A concentração fotônica é descrita em Watts e a área em centímetro quadrado. DP= W/cm2.

Para maiores informações sobre a física do laser, aconselhamos a leitura do livro LASER NA ODONTOLOGIA MODERNA de Aldo Brugnera Júnior e Antonio Luiz Pinheiro, Editora Pancast, 1998.


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Atualizado em 27/09/99