Como a luz é produzida?

Somos todos bem conscientes de que a luz pode ser produzida por uma grande variedade de forças, incluindo o sol e outras estrelas, fogo, luz incandescente, lâmpadas fluorescentes, fósforos e, é claro, o laser. O mecanismo para isso pode variar de algumas maneiras, ainda que o princípio por trás de todas seja essencialmente o mesmo.

Vamos agora imaginar um micro-homem que foi dar uma olhada num átomo típico de uma lâmpada de filamento. Ele vê uma miríade de elétrons, freneticamente girando, ainda que cada uma aparente manter distância do centro do átomo. Alguém agora chega e liga a eletricidade. Antes de pular fora, o micro-homem vê a energia golpear alguns dos elétrons para órbitas mais altas. Desde que os elétrons nas órbitas mais altas possuem uma grande energia, ele percebe que eles devem ter absorvido alguma energia da eletricidade. Do átomo diz-se estar em estado excitado. Outra vez, todas as coisas boas devem chegar ao final. Então, de repente sem aviso, um átomo instável emite um fóton. O elétron retorna a sua posição normal e o átomo retorna ao seu estado relaxado original. Esses fótons fizeram a luz que nós vemos emitida do bulbo. A luz é causada pelo movimento de elétrons de níveis de energia mais altos para os mais baixos. O micro-homem está satisfeito...

Cada elemento tem seu próprio número de elétrons e níveis de energia. Desde que existem muitos caminhos que o elétron pode usar para pular de um nível para o outro, um dado átomo pode emitir fótons de várias frequências diferentes. A cor característica global de uma luz dada é causada pela combinação de todas as frequências individuais. Luzes incandescentes brancas são formadas quando frequências abrangendo a maioria do espectro visível são combinadas uniformemente. Luz de uma lâmpada de rua a vapor de mercúrio tem um matiz branco azulado, significando que, embora ela emita luz de várias cores, ela tem uma preponderância das frequências azul e violeta.

O sol, que contém um pouco de todos os elementos, é essencialmente uma fonte de luz branca. As características cromáticas gerais de uma dada estrela variam de alguma maneira, dependendo da sua composição global e densidade (átomos amontoados mais próximos irão influenciar os níveis de energia dos seus vizinhos em um grau elevado, levando a mais combinações de frequência).

Um luminoso a neon, como sabemos, emite uma cor característica vermelha. Isto porque a diferença média nos níveis de energia é proporcional ao da frequência da luz vermelha (isto na verdade se torna um importante fator no entendimento de como o laser funciona).

Todos os tipos de luz que nós discutimos até agora tiveram uma coisa em comum (além do fato de serem visíveis) - elas são incoerentes. O que nós queremos dizer com incoerente? Nós recordamos que quando o micro-homem observou a emissão de luz de um átomo excitado numa luz de filamento, o fóton foi produzido espontaneamente. Nós não poderíamos ter certeza de qual elétron iria de um nível de energia para o outro e quando exatamente isso aconteceria. Se nós agora olharmos para todo o filamento com seus incontáveis trilhões de átomos, observaremos uma incrível confusão. Átomos estão liberando diferentes frequências com espaços de tempo ligeiramente diferentes, tornando-as fora de fase (duas ondas estão fora de fase quando suas cristas e vales não se alinham no mesmo lugar) e viajando para todos os lugares. A luz incoerente pode ser comparada com um punhado de cascalho jogado num lago. A cacofonia resultante de ondas interagindo umas com as outras representa a natureza da maioria das nossas fontes de luz. Infelizmente a luz incoerente não é de muita utilidade para a formação de hologramas.

Luz incoerente

Existe um segundo método de emissão de energia de um átomo. Isto envolve estimulá-lo com um campo eletromagnético de frequência apropriada. A emissão induzida por esse processo terá a mesma frequência e fase da energia usada para estimulá-la. Se esta emissão estimulada agora induz a emissão de mais átomos, tanto novas como velhas ondas estarão em fase e na mesma frequência. O resultado é o aumento da amplitude da luz (amplificação). Isto é radiação coerente.

Nos princípios dos anos 60 não havia nenhuma fonte conhecida de luz coerente. O desenvolvimento do laser (Amplificação da Luz pela Emissão Estimulada de Radiação) ofereceu, pela primeira vez a fonte de luz de exatamente uma única frequência. Embora originalmente encarado como uma solução procurando por problemas, o laser agora tem aplicações numerosas demais para serem mencionadas. Ele provém o “mais puro” tipo de luz conhecida.

Luz coerente pode ser talvez melhor explicada por uma ilustração. Se você pudesse arranjar 1.000.000 de pessoas dirigindo Fuscas vermelhos 1971 idênticos através de um túnel com velocidade constante mantendo uma distância padrão arbitrária entre os pará-choques, você teria uma boa analogia com a luz coerente. Se por outro lado você tivesse 1.000.000 de pessoas dirigindo diferentes veículos: Opala, Uno, Gol, Escort, Kombi, etc. e os deixasse perdidos na planície de Brasília com instruções de seguir suas próprias direções e partir, o caos resultante te lembraria a luz incoerente.

Luz coerente (laser)

É impressionante que nós possamos fazer qualquer coisa com a luz incoerente. Imagine desenhar uma figura com 3.000 diferentes lápis coloridos na sua mão de cada vez. Os lápis, ou multicoloridas e deslocadas frequências de luz, são incontroláveis e entrariam em conflito um com o outro. Uma imagem mais clara seria conseguida se nós jogássemos 2.999 lápis fora. Nós usaremos este conceito mais tarde para demonstrar porque o laser precisa ser usado para se fazer um holograma. Mas primeiro vamos voltar ao próprio laser.

O que é o laser?

Existem vários tipos diferentes de lasers usados atualmente e estão surgindo novos o tempo todo. O mais popular é o tipo hélio-neônio, primeiramente inventado em 1961 e que é também o mais usado em holografia. Nós o usaremos como modelo para explicar como o laser funciona.

O laser deste tipo consiste em um tubo de gás cheio de uma mistura precisa de dois gases, hélio e neônio. O tubo é selado e permanece transparente em ambas as extremidades. Em uma delas é colocado um espelho com alta qualidade de reflexão (100%). Na outra é colocado um outro espelho que reflete em torno de 98% ou um pouco menos. A colocação dos espelhos é crítica - eles têm que estar perfeitamente paralelos e a distância entre eles têm que ser um múltiplo exato do comprimento de onda que o laser vai produzir. Lembre-se, os comprimentos de onda variam apenas uns poucos bilionésimos do metro, então se os espelhos estiverem ligeiramente fora do alinhamento eles não funcionarão. Uma arte muito precisa, esta de construir lasers.

Se nós desejamos produzir luz coerente, a energia apropriada deve ser irradiada dentro de um tubo de modo a fazer os elétrons alcançarem níveis de energia mais altos. Isto é o que a fonte de energia faz, pela estimulação dos átomos de hélio. Os átomos de neônio são então levados a um nível de energia mais alto pela colisão com os átomos de hélio. À medida que os átomos excitados de neônio retornam ao seu relaxamento ou estado solo, fótons vermelhos similares aos produzidos nos anúncios a neon são liberados. Entretanto estes fótons por sua vez estimulam átomos vizinhos, e o processo continua até a maioria dos átomos estarem em estado alterado. Esta é uma condição não-natural e é conhecida como inversão populacional.

Muita da luz produzida escapa pelos lados do tubo; entretanto uma quantidade muito pequena começa a circular para trás e para frente entre os dois espelhos. Uma vez que os espelhos estão posicionados a uma distância igual a um múltiplo exato do comprimento de onda, cada um se soma ao topo do próximo, aumentando enormemente a amplitude do feixe. Apenas os comprimentos de onda que são exatamente do comprimento certo, neste caso, 633 nanômetros (6.328 angstroms para aqueles que são mais precisos) são amplificados entre os dois espelhos. Finalmente, a luz se torna brilhante o bastante para sair pelo espelho que não é completamente reflexivo, e nós vemos um raio de luz coerente de uma única frequência.

Existem, naturalmente, outros tipos de lasers, embora muitos deles não apropriados para holografia: são muito caros para a maioria das pessoas, ou são difíceis de usar corretamente.

O primeiro laser, construído em 1960, não usava um tubo cheio de gás, mas um cilindro de rubi de estado sólido. O rubi artificial (diferente das pedras naturais) é cuidadosamente produzido e polido com suas terminações exatamente paralelas. Este laser emite um pulso curto em lugar de um raio contínuo, uma vez que seus átomos vão do estado excitado ao estado solo todos de uma só vez. Esta propriedade é muito valiosa (veja holografia pulsada).

Um laser produz uma quantidade relativamente pequena de luz, entretanto desde que ela é concentrada num feixe estreito, é extremamente intensa, e não obedece a lei do inverso do quadrado da distância. Este é o porque de um raio não espalhado poder ser danoso aos olhos; nossas lentes focalizariam essa intensa luz num pequenino ponto, causando lesões. A maioria dos lasers de hélio-neônio emitem apenas uns poucos miliwatts ou milésimos de 1 watt, enquanto, por comparação uma pequena lâmpada de árvore de natal produz em torno de 1 watt. Um laser que produz um feixe de 1 watt ou mais é capaz de queimar coisas. Incrível, não?

Existem naturalmente muitos tipos de lasers que não o de hélio-neônio e o de rubi pulsado. Alguns dos mais populares são os de Argônio, Hélio-Cadmio, YAG, e os novos diodos laser de estado sólido.