Lasers: como funcionam e qual é o mais potente

Os lasers são aparelhos que conseguem concentrar a luz em feixes muito definidos, obrigando as suas ondas e frequências a ficarem alinhadas. Embora tenham surgido nos anos 1960 para amplificar micro-ondas, a tecnologia laser atual consegue intensificar radiação em praticamente qualquer zona do espetro eletromagnético - com exceção dos raios gama.

A palavra é um acrónimo de Amplificação de Luz por Emissão Estimulada de Radiação - uma descrição que, em termos técnicos, ajuda a perceber o princípio de funcionamento.

Ainda assim, hoje em dia é mais rigoroso dizer que os lasers não “amplificam” propriamente a luz; o que fazem é pôr as ondas do feixe a oscilar e a organizar-se de forma extremamente ordenada.

Trocar a ideia de amplificação pela de ordem (ou, com mais precisão, por “oscilação”) seria mais fiel à física - mas pouca gente iria querer apontar ao gato um ponteiro “PERDEDOR”.

Por isso, fica “laser”.

Como é que os lasers fazem coisas de laser?

No centro de um laser está um meio capaz de dar energia a determinadas componentes do espetro eletromagnético à medida que a radiação o atravessa. Esse empurrão energético chama-se “ganho” e pode, na prática, aumentar a potência do feixe.

Ganho e emissão estimulada

O mecanismo por trás deste ganho é a emissão estimulada. Primeiro, os átomos do meio recebem uma injeção de energia (por exemplo, através de uma corrente elétrica elevada), o que empurra os eletrões para um estado excitado. Quando se faz passar luz - ou quando se reflete luz - por esse meio excitado, os eletrões absorvem energia e depois emitem os seus próprios fotões.

Nalguns lasers, esse meio nem sequer é um material feito de átomos - é apenas um conjunto de eletrões a deslocarem-se a grande velocidade.

Confinado numa cavidade que faz a luz ricochetear repetidamente, o meio de ganho acaba por aumentar, tecnicamente, a quantidade de luz que o atravessa. É esta a base da amplificação de luz por emissão estimulada.

Coerência e cavidade ótica

Apesar de a amplificação ser uma peça essencial, aquilo que torna este processo no tipo de laser que usamos para entreter gatos, ler DVDs ou derrubar contratorpedeiros estelares é uma propriedade chamada coerência.

A luz que atravessa o meio de ganho acaba toda por ter a mesma cor. Exatamente a mesma: comprimento de onda idêntico, mesma direção, mesma polarização - apenas em maior quantidade.

Ao fazer as ondas irem e voltarem pela cavidade ótica, o sistema vai filtrando o feixe, de modo que o que sai são ondas com a mesma fase. Cada fotão neste feixe não só partilha as mesmas características, como também oscila no tempo ao ritmo do “grupo”.

Qual é o laser mais potente alguma vez construído?

O laser mais potente concebido até hoje encontra-se na Infraestrutura Europeia de Luz Extrema, na Roménia. Os seus sistemas estão entre os mais intensos do mundo, produzindo impulsos incrivelmente curtos de fotões, protões, neutrões e neutrinos com energia extraordinária.

O seu Sistema de Laser de Alta Potência usa um meio de ganho de safira dopada com titânio, pensado para gerar impulsos laser até 10 petaWatts.

O que significam 10 petaWatts

Vale a pena contextualizar: um watt corresponde a um joule de energia por segundo. Para referência, são necessários pouco mais de 4 000 joules para aquecer 1 litro de água em um grau Celsius.

Um petaWatt equivale a um quatrilião (10¹⁵) de joules por segundo. É verdade que o impulso dura apenas 22 femtosegundos (22 x 10^-15 segundos), mas, mesmo assim, trata-se de uma quantidade respeitável de energia comprimida numa fração minúscula de um pestanejar.

Ainda assim, este recorde pode não durar muito. A “Estação de Luz Extrema” da China poderá destroná-lo nos próximos anos, graças a tecnologia emergente capaz de gerar lasers de 100 petaWatts - uma descarga tão intensa que poderia agitar o espaço vazio até produzir uma chuva de partículas, num espetáculo de física como nunca vimos.

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