O laser é hoje um dispositivo tão familiar a todos nós e com tantas aplicações, que é difícil imaginar que ele tenha sido desenvolvido há apenas meio século. Sua origem remonta aos primórdios da mecânica quântica, surgida no início do século 20, e está relacionada com o conceito de emissão estimulada de luz, proposto em 1917 pelo físico Albert Einstein (1879-1955).
No começo da década de 1950, com a criação do maser – dispositivo similar ao laser que emite micro-ondas em vez de luz visível – teve início uma corrida para a fabricação do laser. Em 1960, partindo de uma ideia simples e original, o físico norte-americano Theodore Harold Maiman (1927-2007) foi o primeiro a construí-lo.
- Theodor Maiman e o equipamento usado na criação da luz laser.
Filho de um engenheiro eletrônico que trabalhou muitos anos nos laboratórios da empresa Bell, Theodore Maiman teve contato com a eletrônica desde muito jovem e trabalhou consertando aparelhos eletrônicos e rádios a válvula. Pôde assim custear seu curso de engenharia na Universidade do Colorado, nos Estados Unidos.
Fez seus estudos de pós-graduação na Universidade de Stanford, doutorando-se em física em 1955, ano em que seu orientador, Willis Lamb (1913-2008), recebeu o prêmio Nobel de Física. Seu trabalho envolveu estudos espectroscópicos sobre níveis de energia em átomos de hélio com o uso de micro-ondas.
Durante o doutorado, Maiman se interessou pelo trabalho que o físico norte-americano Charles Townes fez em 1954 sobre o maser (sigla formada pelas iniciais de Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation, cuja tradução em português é amplificação de micro-ondas por emissão estimulada de radiação).
Em seguida, começou a trabalhar no laboratório de pesquisa da empresa de aviação Hughes e, em 1960, foi o primeiro cientista a construir um dispositivo equivalente ao maser que emitia um feixe de luz visível altamente concentrado e veio a se chamar laser (sigla formada pelas iniciais de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, que significa amplificação de luz por emissão estimulada de radiação).
Radiação e matéria
O conceito de emissão estimulada de radiação foi proposto por Einstein para descrever a interação da radiação com a matéria. No processo, um átomo excitado (nível de alta energia) pode ser estimulado, na presença de radiação, a emitir um fóton e decair para o estado fundamental (nível de baixa energia). A emissão estimulada ocorre paralelamente à emissão espontânea de radiação, quando um átomo excitado decai espontaneamente para o nível fundamental, também emitindo um fóton.
Na maioria das fontes convencionais de luz, como a luz do Sol e as lâmpadas incandescentes, ela se origina dominantemente do processo de emissão espontânea de radiação por átomos excitados. Mas, a partir dos trabalhos de Einstein, foi possível demonstrar que, mediante certas condições impostas aos átomos, era possível tornar dominante o processo de emissão estimulada da luz. Nesse caso, o meio formado pelos átomos poderia amplificá-la, isto é, aumentar sua intensidade. A condição imposta aos átomos para essa amplificação chama-se ‘inversão de população’.
De acordo com a teoria do físico austríaco Ludwig Boltzmann (1844-1906), em um sistema de átomos em equilíbrio termodinâmico com o meio em que se encontra, o número de átomos no estado fundamental é sempre maior que o número de átomos no estado excitado.
No entanto, é possível fazer com que a população de átomos no estado excitado seja maior que a do estado fundamental a partir de um mecanismo externo de bombeamento que leva à inversão de população. Em seguida, só é preciso criar um dispositivo que amplifique a radiação proveniente da emissão estimulada.
Criado em 1954 simultaneamente por Townes, nos Estados Únicos, e pelos físicos Nicolay Basov (1922-2001) e Alexander Prokhorov (1916-2002), na Rússia, o maser amplificava a radiação eletromagnética na região das micro-ondas. Em 1958, Townes e o físico norte-americano Arthur Schawlow (1921-1999) propuseram que a amplificação por emissão estimulada de radiação poderia ser estendida para a região visível do espectro eletromagnético, fornecendo a base teórica para o desenvolvimento do laser. A previsão teórica do dispositivo causou acirrada competição entre laboratórios e empresas para ver quem seria o primeiro a construí-lo.
Marcos A. Pimenta
Departamento de Física,
Universidade Federal de Minas Gerais
