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Como um laser funciona EngineerGuy Series #4
Durante anos, os lasers têm sido uma característica da ficção científica
grande parte da nossa tecnologia de hoje ainda depende deles.
Uma grande gama de dispositivos de localização, comunicações ópticas, e, claro,
leitores de código de barras.
As características únicas do laser
fazem todas essas coisas possíveis.
No entanto, o seu uso por cirurgiões de olho para
restaurar retinas se destaca entre todos eles.
Lesões na retina podem fazer com que ela
se descole do tecido que a apoia.
Sem tratamento rápido toda a retina pode descolar-se
causando cegueira.
Cirurgiões usam laser verde próximo de um único comprimento de onda
porque essa cor passa através da lente do olho
e do humor vítreo
sem ser fortemente absorvida, e, portanto, sem causar danos.
O feixe de laser, em seguida, atinge a retina, onde o tecido
absorve fortemente a luz, usando a luz de alta intensidade
para soldar a retina de volta no lugar.
O estreitamento do feixe permite ao cirurgião afetar
somente a área da retina que precisa ser reparada
áreas menores que 30 micrômetros.
Como um laser cria a luz com essas três características
é uma façanha de engenharia.
Deixe-me mostrar a você.
Qualquer brinquedo que brilhe no escuro pode ilustrar os princípios básicos
de criação da luz laser.
Este brilho deve-se a um revestimento composto de zinco e cobre
o interior absorve energia de uma fonte de luz
e depois irradia essa energia como luz.
A luz fornece energia aos elétrons do revestimento
promovendo-os a níveis de energia mais elevados.
Quando a fonte de luz é interrompida, os elétrons liberam lentamente
a energia extra e retornam a seu estado fundamental.
A energia liberada é emitida como luz.
Um fenômeno intimamente relacionado está no cerne de um laser.
Deixe-me falar a você sobre a engenharia
do primeiro laser baseado em rubi.
Aqui eu tenho uma pequena peça de rubi
e algumas contas de vidro vermelho.
Quando eu incido luz azul nas contas de vidro não acontece muita coisa
mas quando eu incido luz no rubi ele fica vermelho.
Ao contrário do brinquedo que brilha no escuro a luz aparece imediatamente
e quando eu tiro a luz azul ela desaparece.
Em 1960, Ted Maiman demonstrou o primeiro laser
tomando um cilindro de rubi em torno
de uma lâmpada de arco de xenônio usado em fotografia aérea.
Um intenso brilho de luz da lâmpada de laser inicia.
Para ver como funciona vamos ver o que
acontece com uma lâmpada mais fraca.
Um flash iria promover alguns elétrons
do estado fundamental para o estado excitado.
Eles perdem um pouco de energia
caem para um estado de baixa energia com emissão de luz
e antão voltam ao estado fundamental
emitindo luz.
A luz produzida seria luz incoerente
em espectro de cores e intensidades
assim como meu pequeno laser feito na esfera rubi.
Para criar um laser use uma lâmpada extremamente poderosa.
No laser de rubi, flashes repetidos,
chamado de bombeamento,
fazem algo surpreendente acontecer.
Eles fornecem tanta energia que uma inversão de população ocorre
Aqui há mais elétrons no nível de energia
acima do estado fundamental do que no estado fundamental.
Os elétrons de uma inversão de população voltando
ao estado fundamental emitem luz e a liberação inicia-se como uma avalanche
chamada de emissão estimulada.
O fóton produzido quando um elétron decai
induz outros elétrons excitados ao decaimento simultaneamente
que liberam fótons quase idênticos.
Isso cria a luz coerente
o que significa que as cristas e vales
de cada onda de luz no feixe estão em fase.
Agora, nesse ponto temos uma luz coerente
mas ainda não temos as outras duas propriedades de luz de laser.
Para obter um feixe estreito com todos os raios de luz paralelos
e próximos de um único comprimento de onda é necessário
um complemento para a haste de rubi.
Maiman deixou uma das extremidades prateadas para refletir a luz no interior do cilindro de rubi.
Ele fez as duas extremidades da haste espantosamente paralelas entre si
De cima para baixo a distância entre estes
dois espelhos difere não mais do que 200 nanômetros.
Dentro desta cavidade ressonante, duas coisas acontecem.
Em primeiro lugar, quaisquer raios de luz que não se alinham com o eixo
eventualmente saem do cilindro.
E a luz paralela ao eixo se intensifica
e estreita o comprimento de onda.
As extremidades espelhadas criam uma onda estacionária
o que significa que apenas a luz de comprimentos de onda específicos
podem existir no interior da cavidade.
Ao escolher o comprimento da haste corretamente
podemos chegar a praticamente um único comprimento de onda
que é característica de um laser.
Um pequeno buraco em um dos espelhos ou um espelho parcialmente prateado
permite que a luz escape criando o feixe familiarizado.
Agora, uma vez que o primeiro laser de rubi foi criado
lasers tornaram-se fáceis e baratos de fabricar.
Por exemplo, este ponteiro laser usa um
um diodo semicondutor para produzir luz.
Apesar de muitas inovações e melhorias terem ocorrido desde
1960, os princípios essenciais são os mesmos.
Eu sou Bill Hammack, o cara da engenharia.
Esse vídeo foi baseado em um capítulo do livro
Eight Amazing Engineering Stories.
O capítulo apresenta mais informações sobre este assunto.