Um laser, também grafado lêiser, é um dispositivo que emite luz por um processo de amplificação óptica baseado na emissão estimulada de radiação eletromagnética. A palavra laser surgiu como acrônimo da expressão inglesa light amplification by stimulated emission of radiation, "amplificação da luz por emissão estimulada de radiação". O primeiro laser funcional foi construído em 1960 por Theodore Maiman, no Hughes Research Laboratories. Sua construção foi precedida por propostas de Charles H. Townes, Arthur Leonard Schawlow e Gordon Gould sobre a amplificação e a oscilação da luz por emissão estimulada.
A coerência distingue a emissão laser da luz de muitas fontes comuns. Uma elevada coerência espacial permite concentrar o feixe em um ponto pequeno, propriedade empregada na comunicação óptica, no corte a laser e na fotolitografia. Também permite obter feixes de baixa divergência por colimação, como os usados em apontadores laser, lidar e comunicação óptica em espaço livre. A coerência temporal está relacionada à largura do espectro emitido. Certos lasers produzem radiação de faixa espectral muito estreita, enquanto lasers de pulsos ultracurtos precisam emitir sobre uma faixa mais ampla, com relações de fase controladas entre seus componentes. Pulsos de laser de femtossegundos também podem produzir, por processos como a geração de harmônicos de alta ordem, pulsos de luz com duração de attosegundos.
Lasers são empregados em comunicação por fibra óptica, unidades de disco óptico, impressoras a laser, leitores de código de barras, fabricação de circuitos semicondutores, cirurgia a laser, tratamentos da pele, corte e soldagem de materiais. Também são usados para marcar alvos, medir distâncias e velocidades e produzir espetáculos de luz. Em uma retrospectiva publicada no cinquentenário do dispositivo, Matthew Trainer colocou o laser entre as grandes invenções do século XX.
Terminologia O primeiro dispositivo que usava amplificação por emissão estimulada operava em frequências de micro-ondas e recebeu o nome de maser, acrônimo de microwave amplification by stimulated emission of radiation, "amplificação de micro-ondas por emissão estimulada de radiação". Quando dispositivos semelhantes foram propostos para a região óptica, foram inicialmente chamados de masers ópticos. A substituição de microwave por light no acrônimo produziu a palavra laser.
Gordon Gould publicou o acrônimo "LASER" no artigo de conferência de 1959 The LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Ele pretendia usar acrônimos terminados em "-ASER" para partes distintas do espectro, como "XASER" para raios X, "UVASER" para ultravioleta e "RASER" para ondas de rádio. O uso que se consolidou chama de lasers os dispositivos que operam acima da região de micro-ondas, aproximadamente além de 300 GHz, abrangendo o infravermelho, o visível, o ultravioleta e os raios X. A expressão laser de raios gama é usada para dispositivos propostos nessa faixa. Dispositivos que operam em micro-ondas ou em frequências de rádio mais baixas são chamados de masers.
O verbo inglês to lase, formado por derivação regressiva a partir de laser, é usado com o sentido de produzir emissão laser, em especial quando se fala do meio de ganho. Quando um laser está operando, diz-se em inglês que está lasing. Os termos laser e maser também são empregados para amplificação por emissão estimulada em ambientes naturais, como no maser astrofísico. Já um laser atômico emite um feixe coerente de átomos, ou ondas de matéria, e não um feixe de luz. Um desses dispositivos foi demonstrado pela extração de átomos de um condensado de Bose-Einstein.
Um laser que gera sua própria oscilação é, tecnicamente, um oscilador óptico, enquanto um amplificador óptico aumenta a potência de um sinal recebido. Já se observou, em tom de humor, que "LOSER", de light oscillation by stimulated emission of radiation, "oscilação de luz por emissão estimulada de radiação", seria um acrônimo mais adequado para o oscilador. Algumas obras usam o termo inglês anacronym para palavras como laser, acrônimos que se tornaram substantivos tão comuns que deixaram de ser percebidos como abreviações.
Fundamentos miniatura|Feixe de um laser verde. A luz espalhada pelo material atravessado torna visível seu percurso.
Fótons são os quanta da radiação eletromagnética. Átomos e moléculas podem absorvê-los ou emiti-los em transições entre estados de energia. Fontes incandescentes, como o filamento de uma lâmpada, emitem um espectro amplo de irradiação térmica, determinado principalmente por sua temperatura e pelas propriedades do material.
No laser, o fornecimento de energia mantém o meio ativo fora do equilíbrio térmico e permite amplificar a luz por emissão estimulada. Nesse processo, a interação de uma radiação com uma partícula excitada pode provocar sua transição para um nível de energia inferior. A energia liberada aumenta o campo óptico que estimulou a transição. Para uma transição entre níveis definidos, a frequência da radiação precisa estar dentro da faixa de frequências que o meio pode amplificar.
A emissão estimulada acrescenta fótons ao mesmo modo óptico da radiação incidente. A luz amplificada pode provocar novas emissões, produzindo uma sequência de amplificação. Isso exige manter uma população adequada no estado superior da transição. Em muitos lasers atômicos e de íons, estados metaestáveis permitem armazenar energia por um tempo relativamente longo. A existência de um estado metaestável não é, porém, um requisito universal de todos os tipos de laser. O material no qual ocorre a amplificação recebe o nome de meio laser ativo, e o processo que lhe fornece energia é chamado de bombeamento.
A coerência expressa a correlação entre as fases do campo luminoso. A coerência espacial relaciona pontos diferentes do feixe, enquanto a coerência temporal relaciona o campo em instantes diferentes. Uma elevada coerência espacial permite focalização próxima do limite de difração. Um grande comprimento de coerência temporal é útil em interferometria, mas não exige, por si só, que a luz tenha uma única polarização. Feixes focalizados podem alcançar elevada irradiância, enquanto feixes expandidos e colimados podem conservar baixa divergência por distâncias maiores.
Lasers são caracterizados por seu comprimento de onda no vácuo. Muitos dispositivos chamados de "um único comprimento de onda" oscilam em mais de um modo longitudinal, com frequências próximas. Outros emitem um espectro amplo ou diferentes comprimentos de onda simultaneamente. Também existem lasers multimodo com divergência de feixe maior que o mínimo imposto pela difração. A emissão estimulada não torna automaticamente todo laser perfeitamente monocromático, polarizado ou limitado por difração.
Projeto
miniatura|Componentes de um laser típico: 1. meio de ganho, 2. energia de bombeamento, 3. refletor de alta refletividade, 4. acoplador de saída, 5. feixe laser.
Um oscilador laser típico é formado por um meio de ganho, um mecanismo de bombeamento e um sistema de realimentação óptica. O meio de ganho amplifica a radiação em uma determinada faixa espectral. A realimentação permite que parte dessa radiação retorne ao meio e seja amplificada repetidamente.
A oscilação pode ser comparada à microfonia de um sistema de sonorização, em que o som de um alto-falante retorna ao microfone e é novamente amplificado. No laser, as frequências que oscilam dependem do ganho do meio e das perdas e ressonâncias da cavidade. Uma ou mais frequências podem atingir o limiar de oscilação, de modo que a realimentação não garante, por si só, a emissão em uma única frequência.
O bombeamento costuma ser realizado por corrente elétrica ou pela absorção de luz de outra fonte. Uma lâmpada de flash ou outro laser pode fornecer a luz de bombeamento. Há também lasers alimentados por reações químicas e outros mecanismos de transferência de energia.
Uma configuração comum usa uma cavidade óptica com dois espelhos nas extremidades do meio de ganho. A luz percorre repetidamente o espaço entre eles e é amplificada ao atravessar o meio. Um dos espelhos, o acoplador de saída, transmite parte da radiação. A geometria da cavidade, incluindo a curvatura dos espelhos, determina os modos que ela admite e as propriedades do feixe emitido. O conjunto é chamado de oscilador laser, por analogia com os osciladores eletrônicos.
Outros elementos ópticos podem selecionar a polarização e o comprimento de onda, controlar as perdas ou modificar o perfil do feixe. Nem todos os dispositivos baseados em emissão estimulada usam a cavidade de dois espelhos: amplificadores de passagem única e lasers de elétrons livres podem empregar outras configurações.
Teoria de funcionamento
Emissão estimulada
miniatura|upright=1.5|Animação da emissão estimulada e do princípio do laser.
Um átomo possui estados de energia discretos. A absorção de um fóton pode levar o átomo de um estado inferior a outro superior quando a energia do fóton corresponde à diferença entre os níveis, dentro da largura da transição. Colisões e outros mecanismos também podem transferir energia ao átomo. Em sólidos, a interação com vibrações da rede, quantizadas como fônons, participa de processos de relaxação e pode alargar as faixas de absorção e emissão.
Uma partícula excitada pode emitir radiação espontaneamente ou por estímulo de um campo incidente. Na emissão espontânea, o evento não requer um sinal óptico aplicado. Na emissão estimulada, a energia da transição é acrescentada ao modo do campo que a induziu, mantendo uma relação de fase com ele. Em equilíbrio térmico, a absorção é compensada pela soma da emissão espontânea e da emissão estimulada.
miniatura|centro|upright=2|Emissão estimulada por um fóton incidente.
O bombeamento de um laser mantém partículas no estado superior da transição. A luz emitida espontaneamente pode iniciar a oscilação, mas a amplificação por emissão estimulada favorece a radiação nos modos sustentados pelo sistema óptico. A coerência da saída depende dessa amplificação e da dinâmica do laser.
Modelo simples O modelo de Albert Einstein para a interação entre matéria e radiação usa estados atômicos estacionários com energias definidas, como no modelo de Bohr. Einstein introduziu coeficientes de probabilidade para absorção, emissão estimulada e emissão espontânea, relacionando-os à distribuição de radiação térmica da lei de Planck.
Para dois níveis com energias , a frequência da transição satisfaz . Seja a densidade espectral de energia da radiação. A taxa de absorção por partícula no nível inferior é proporcional a , e a de emissão estimulada por partícula no nível superior, a . O coeficiente dá a taxa de emissão espontânea, que não depende da intensidade de um campo aplicado. Em equilíbrio termodinâmico, as populações e satisfazem:
O bombeamento rompe esse equilíbrio. Para que a emissão estimulada supere a absorção na transição, é necessário que . No caso simples de níveis com a mesma degenerescência, isso corresponde a , uma inversão de população. O bombeamento óptico direto de apenas dois níveis não mantém essa condição em regime estacionário, razão pela qual muitos lasers usam níveis adicionais para transferir e armazenar população.
Sistemas de três e quatro níveis Em um sistema de dois níveis bombeado diretamente por luz ressonante, a ocupação crescente do nível superior também aumenta a emissão estimulada. No modelo mais simples, o bombeamento intenso aproxima as populações da igualdade, sem produzir uma inversão estacionária. Esquemas de três ou quatro níveis contornam essa limitação.