História do laser 1880 - 2000
Hoje, a importância do laser pode nos fascinar, pois estamos rodeados de coisas que são subprodutos de sua aplicação. A história do laser também nos fascina pela forma como a tecnologia progrediu ano após ano ao longo de um século.
A palavra laser é na verdade um acrônimo; LASER significa “Amplificação de Luz por Emissão Estimulada de Radiação”.
Um laser é um dispositivo que produz um feixe de luz extraordinariamente poderoso que não existe por si só na natureza. Hoje esta luz é usada para realizar milhares de tarefas úteis. Um laser pode emitir um feixe de luz que atravessa uma espessa parede de metal ou faz um furo em um diamante. Alguns lasers podem medir coisas vistas apenas com um microscópio ou até mesmo realizar operações oculares delicadas. Todos os dias, os lasers são usados em comunicações, fábricas, hospitais e diversos meios de entretenimento. Na verdade, os lasers melhoram e facilitam as nossas vidas de tantas maneiras que os cientistas passaram a referir-se a estes dispositivos como as superferramentas da era moderna.
A invenção do laser foi o resultado de muitas ideias e descobertas, cada uma delas construída sobre as anteriores, que remontam a mais de cem anos. Os cientistas não se propuseram deliberadamente a inventar o laser; na verdade, ninguém considerou seriamente tal dispositivo até alguns anos antes da construção do primeiro laser. A maioria das ideias que levaram à sua invenção foram resultado de tentativas dos cientistas de aprender mais sobre a luz e como ela se comporta. Com o passar do tempo, a ideia de que a luz poderia ser mais poderosa ou amplificada tornou-se mais importante para os cientistas. Somente quando alguns pesquisadores conseguiram reunir todas essas ideias acumuladas de uma forma muito especial é que lhes ocorreu que algo semelhante a um laser poderia ser construído.
1880: A primeira grande tentativa de fazer com que a luz execute uma tarefa que os lasers realizam hoje. O proeminente inventor americano Alexander Graham Bell conduziu um experimento que demonstrou como a luz poderia ser usada para transportar a voz de uma pessoa de um lugar para outro. Para conseguir isso, Bell usou um dispositivo que chamou de fotofone, que consistia em um espelho fino, um receptor que detectava luz, alguns fios e um fone de ouvido. Bell posicionou o espelho de forma que a luz do sol refletisse em sua superfície e viajasse mais de trinta metros até o receptor. Quando uma pessoa falava perto do delicado espelho, ele vibrava levemente. Isso fez com que a luz solar refletida no receptor também vibrasse. O receptor então transformou as vibrações da luz em um sinal elétrico, que percorreu os fios até o fone de ouvido. Bell havia mostrado que a luz poderia um dia ser usada nas comunicações. Essa ideia abriu caminho para o próximo passo em direção à descoberta do laser.
1905: O cientista alemão Albert Einstein anunciou sua própria teoria da luz, que é composta de partículas e ondas. Einstein afirmou que as partículas, chamadas fótons (da palavra grega para “luz”), se movem em padrões de ondas.
1917: Einstein sugeriu que enquanto um átomo está excitado, ele pode ser estimulado (induzido) a produzir um fóton. Se um número suficiente de átomos pudesse ser excitado e estimulado, um grande número de fótons poderia ser produzido. Um feixe de luz composto por tantos fótons seria altamente concentrado e, portanto, mais brilhante e poderoso. Einstein chamou esse processo de “emissão de luz estimulada”. Por poder produzir luz mais potente ou amplificada, a emissão estimulada é o princípio básico da operação do laser.
Os cientistas tinham as informações básicas necessárias para construir um dispositivo semelhante a um laser já em 1917, mas ninguém tentou. Os pesquisadores pensaram que seria muito difícil e caro; e eles estavam certos. A maquinaria avançada de que necessitavam não existia na altura e teria de ser desenvolvida peça por peça. A pesquisa necessária levaria muitos anos e custaria muito dinheiro. É claro que esse tempo e dinheiro valeriam a pena se a ideia prometesse ser útil o suficiente. Mas a grande maioria dos cientistas da época não acreditava que a ideia de amplificar a luz pudesse levar a algo prático ou útil. Por isso, o desenvolvimento do laser ocorreu de forma mais indireta: por meio de experimentos com radar e micro-ondas.
1928: A emissão estimulada foi observada pela primeira vez pelo físico alemão Rudolf Walther Ladenburg, embora na época parecesse não ter uso prático.
1939-1945: Durante a Segunda Guerra Mundial, os cientistas trabalharam arduamente para melhorar o radar, um dispositivo de rastreamento que havia sido inventado alguns anos antes. O radar envia um feixe de microondas que reflete em objetos próximos. As microondas são semelhantes à luz visível no sentido de que ambas viajam a 300.000 quilômetros por segundo e são compostas de partículas em movimento. Experimentos de radar levaram a avanços técnicos que eventualmente produziram as ondas laser. Mas, ao contrário da luz, que as pessoas podem ver, as microondas são invisíveis aos olhos. Depois que um feixe de radar é refletido em um objeto, as microondas refletidas retornam e são registradas em uma tela.
1950: A equipe de CH Townes criou o primeiro dispositivo funcional que, na prática, usava as teorias de Einstein: a tecnologia em questão chamava-se MASER, sigla para “Amplificação de Microondas por Emissão Estimulada de Radiação”.
1954: Em colaboração com Herbert J. Zeiger e o estudante de graduação James P. Gordon, Townes demonstra o primeiro maser na Universidade de Columbia. O maser de amônia, primeiro aparelho baseado nas previsões de Einstein, obtém a primeira amplificação e geração de ondas eletromagnéticas por meio de emissão estimulada. O maser irradia em um comprimento de onda de pouco mais de 1 cm e gera aproximadamente 10 nW de potência.
1955: Aleksandr Mikhaylovich Prokhorov e Nikolay Gennadiyevich Basov do Instituto de Física PN Lebedev em Moscou tentaram projetar e construir osciladores e descreveram de forma independente a teoria da operação do maser. Eles propõem um método para produzir absorção negativa, denominado método da bomba.
1956: Nicolaas Bloembergen, da Universidade de Harvard, desenvolve o maser de microondas de estado sólido.
14 de setembro de 1957: Townes esboça um maser óptico primitivo em seu caderno de laboratório.
13 de novembro de 1957: Gordon Gould, estudante de graduação da Universidade de Columbia, escreve suas idéias para construir um laser em seu caderno e as certifica em uma loja de doces do Bronx. É considerado o primeiro uso da sigla laser. Gould deixa a universidade alguns meses depois para ingressar na empresa privada de pesquisa TRG (Technical Research Group).
1958: Townes, consultor do Bell Labs, e seu cunhado, o pesquisador do Bell Labs Arthur L. Schawlow, em um artigo conjunto publicado na Physical Review Letters, demonstram que masers poderiam operar nas regiões óptica e infravermelha e propõem como isso poderia ser feito . alcançar. No Instituto Lebedev, Basov e Prokhorov também exploram as possibilidades de aplicação dos princípios de maser na região óptica.
Abril de 1959: Gould e TRG solicitam patentes relacionadas a laser derivadas das ideias de Gould.
22 de março de 1960: Townes e Schawlow, sob a direção do Bell Labs, obtêm a patente norte-americana número 2.929.922 para o maser óptico, agora chamado de laser. Quando seu pedido é negado, Gould e TRG iniciam o que se tornaria uma disputa de patentes de 30 anos relacionada à invenção do laser.
7 de julho de 1960: Hughes dá uma entrevista coletiva para anunciar a conquista de Maiman.
Novembro de 1960: Peter P. Sorokin e Mirek J. Stevenson, do Centro de Pesquisa Thomas J. Watson da IBM, demonstram o laser de urânio, um dispositivo de estado sólido de quatro estágios.
Dezembro de 1960: Ali Javan, William Bennett Jr. e Donald Herriott da Bell Laboratories desenvolvem o laser de hélio-néon (HeNe), o primeiro a gerar um feixe contínuo de luz de 1,15 μm.
1961: Os lasers começam a aparecer no mercado comercial através de empresas como Trion Instruments Inc., Perkin-Elmer e Spectra-Physics.
Março de 1961: Na segunda reunião internacional de eletrônica quântica, Robert W. Hellwarth, do Hughes Research Labs, apresenta um trabalho teórico sugerindo que uma melhoria dramática no laser de rubi poderia ser alcançada tornando seu pulso mais previsível e controlável. Ele prevê que um único pico de alta potência poderia ser criado se a refletividade dos espelhos finais do laser mudasse repentinamente de um valor muito baixo para permitir o laser para um valor que permitiria.
Outubro de 1961: Elias Snitzer da American Optical Co. relata a primeira operação de um laser de vidro de neodímio.
1962: Com Fred J. McClung, Hellwarth demonstra sua teoria do laser, gerando potências de pico 100 vezes maiores que os lasers de rubi comuns através do uso de obturadores de células Kerr comutados eletricamente. A técnica de formação de pulsos gigantes é chamada Q-switching. Entre as primeiras aplicações importantes estava a soldagem de molas de relógios.
1962: Grupos da GE, IBM e MIT Lincoln Laboratory desenvolvem simultaneamente um laser de arseneto de gálio, um dispositivo semicondutor que converte energia elétrica diretamente em luz infravermelha, mas deve ser resfriado criogenicamente, mesmo para operação pulsada.
Junho de 1962: Bell Labs relata o primeiro laser de granada de ítrio-alumínio (YAG).
Outubro de 1962: Nick Holonyak Jr., cientista consultor de um laboratório da General Electric Co. em Syracuse, Nova York, publica seu trabalho sobre o diodo laser GaAsP (fosforeto de arsenieto de gálio) “vermelho visível”, uma luz visível coerente compacta e eficiente que é a base dos LEDs vermelhos atuais usados em produtos de consumo como CDs, DVD players e telefones celulares.
1963: Logan E. Hargrove, Richard L. Fork e MA Pollack relatam a primeira demonstração de um laser com modo bloqueado; isto é, um laser de hélio-néon com um modulador óptico-acústico. O bloqueio de modo é fundamental para a comunicação do laser e é a base dos lasers de femtossegundos.
1963: Herbert Kroemer da Universidade da Califórnia, Santa Bárbara, e a equipe de Rudolf Kazarinov e Zhores Alferov do AF Ioffe Physical-Technical Institute em São Petersburgo, Rússia, propõem independentemente ideias para a construção de lasers semicondutores a partir de dispositivos de heteroestrutura. O trabalho leva Kroemer e Alferov a ganhar o Prêmio Nobel de Física em 2000.
Março de 1964: Após dois anos de trabalho com lasers HeNe e xenônio, William B. Bridges, do Hughes Research Labs, descobre o laser pulsado de íons de argônio, que, embora volumoso e ineficiente, pode produzir energia em vários comprimentos de onda visíveis e ultravioleta.
1964: O Prémio Nobel da Física foi dividido entre três vencedores: metade foi atribuída a Charles Hard Townes e a outra metade a Nicolay Gennadiyevich Basov e Aleksandr Mikhailovich Prokhorov “pelo seu trabalho fundamental no campo da electrónica quântica”. O que levou à construção de osciladores e amplificadores baseados no princípio maser-laser.”
1964: Kumar Patel inventa o laser de dióxido de carbono nos Laboratórios Bell. É o laser de operação contínua mais poderoso de sua época e agora é usado em todo o mundo como ferramenta de corte em cirurgia e indústria.
1964: Joseph E. Geusic e Richard G. Smith inventam o laser Nd:YAG (YAG dopado com neodímio) nos Laboratórios Bell. Posteriormente, o laser é ideal para aplicações cosméticas, como correção da visão da ceratomileuse in situ assistida por laser (LASIK) e rejuvenescimento da pele.
1965: Jerome VV Kasper e George C. Pimentel demonstram o primeiro laser químico, um instrumento de cloreto de hidrogênio de 3,7 μm, na Universidade da Califórnia, Berkeley.
1966: Charles K. Kao, em colaboração com George Hockham do Standard Telecommunication Laboratories em Harlow, Reino Unido, faz uma descoberta que representa um avanço na fibra óptica. Ele calcula como transmitir luz a longas distâncias usando fibras ópticas de vidro e conclui que, com uma fibra de vidro da mais alta pureza, seria possível transmitir sinais de luz a uma distância de 100 km, contra 20 m para fibras disponíveis no Década de 1960. Kao recebe o Prêmio Nobel de Física em 2009 por seu trabalho.
1966: O físico francês Alfred Kastler ganha o Prêmio Nobel de Física por seu método de estimular átomos a estados de energia mais elevados, que desenvolveu entre 1949 e 1951. A técnica, conhecida como bombeamento óptico, foi um passo importante para a criação do maser e laser.
Março de 1967: Bernard Soffer e Bill McFarland inventam o laser de corante ajustável na Korad Corp. em Santa Monica, Califórnia.
1970: Gould recompra seus direitos de patente por US$ 1 mais 10% dos lucros futuros quando o TRG for vendido.
Primavera de 1970: O grupo de Alferov no Ioffe Physical-Technical Institute e Mort Panish e Izuo Hayashi nos Bell Laboratories produzem os primeiros lasers semicondutores de onda contínua em temperatura ambiente, abrindo caminho para a comercialização de comunicações de fibra óptica.
1972: Charles H. Henry inventa o laser de poço quântico, que requer muito menos corrente para atingir o limite do laser do que os lasers de diodo convencionais e é extremamente mais eficiente. Holonyak e estudantes da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign demonstraram pela primeira vez o laser de poço quântico em 1977.
26 de junho de 1974: Um pacote de chiclete Wrigley é o primeiro produto lido por um leitor de código de barras em um supermercado.
1975: Engenheiros da Laser Diode Labs Inc. em Metuchen, Nova Jersey, desenvolvem o primeiro laser semicondutor comercial de onda contínua que opera em temperatura ambiente. A operação em onda contínua permite a transmissão de conversas telefônicas.
1975: Jan P. Van der Ziel, R. Dingle, Robert C. Miller, William Wiegmann e W. A. Nordland Jr. realizam a primeira operação de laser de poço quântico. Os lasers foram desenvolvidos em 1994.
1976: Um laser semicondutor é demonstrado pela primeira vez no Bell Labs, operando continuamente à temperatura ambiente, em um comprimento de onda superior a 1 μm. É o precursor de fontes para sistemas de ondas luminosas de comprimento de onda longo.
1976: John MJ Madey e seu grupo da Universidade de Stanford, na Califórnia, demonstram o primeiro laser de elétrons livres (FEL). Em vez de um meio de ganho, os FELs usam um feixe de elétrons que é acelerado até próximo da velocidade da luz e depois passado através de um campo magnético transversal periódico para produzir radiação coerente. Como o meio do laser consiste apenas em elétrons no vácuo, os FELs não apresentam danos materiais ou problemas de lentes térmicas que afetam os lasers comuns e podem atingir potências de pico muito altas.
1977: A primeira instalação comercial de um sistema de comunicação por ondas luminosas de fibra óptica da Bell Labs é concluída sob as ruas de Chicago.
11 de outubro de 1977: Gould obtém uma patente para bombeamento óptico, que mais tarde foi usado em cerca de 80% dos lasers.
1978: O LaserDisc chega ao mercado de vídeo doméstico, com pouco impacto. Os primeiros jogadores usam tubos laser HeNe para ler mídia, enquanto os jogadores posteriores usam diodos laser IR.
1978: Após o fracasso de sua tecnologia de videodisco, a Philips anuncia o projeto do disco compacto (CD).
1979: Gould recebe uma patente cobrindo uma ampla gama de aplicações de laser.
1981: Schawlow e Bloembergen recebem o Prêmio Nobel de Física por suas contribuições ao desenvolvimento da espectroscopia a laser.
1982: Peter F. Moulton do MIT Lincoln Laboratory desenvolve o laser titânio-safira, usado para gerar pulsos curtos na faixa de picossegundos e femtossegundos. O laser de titânio-safira substitui o laser de corante para aplicações de laser sintonizáveis e ultrarrápidas.
Outubro de 1982: O CD de áudio, um spin-off da tecnologia de vídeo LaserDisc, é lançado. Os fãs de Billy Joel alegram-se, pois seu álbum "52nd Street", de 1978, é o primeiro a ser lançado em CD.
1985: Steven Chu (Secretário de Energia dos EUA, 2009-13) e colegas do Bell Labs usam luz laser para desacelerar e manipular átomos. Sua técnica de resfriamento a laser, também chamada de “melaço óptico”, é usada para investigar o comportamento dos átomos, fornecendo informações sobre a mecânica quântica. Chu, Claude N. Cohen-Tannoudji e William D. Phillips ganharam o Prêmio Nobel por este trabalho em 1997.
1987: David Payne, da Universidade de Southampton, no Reino Unido, e sua equipe apresentam amplificadores de fibra dopada com érbio. Esses novos amplificadores ópticos amplificam os sinais de luz sem precisar primeiro convertê-los em sinais elétricos e depois novamente em luz, reduzindo o custo dos sistemas de fibra óptica de longa distância.
1994: Jérôme Faist, Federico Capasso, Deborah L. Sivco, Carlo Sirtori, Albert L. Hutchinson e Alfred Y. Cho inventam nos Laboratórios Bell o primeiro laser semicondutor que pode emitir luz simultaneamente em vários comprimentos de onda amplamente separados (a cascata quântica). O laser é único porque toda a sua estrutura é fabricada camada por camada usando a técnica de crescimento de cristal chamada epitaxia por feixe molecular. Simplesmente alterando a espessura das camadas semicondutoras você pode alterar o comprimento de onda do laser. Com sua operação em temperatura ambiente e faixas de potência e ajuste, o laser em cascata quântica é ideal para sensoriamento remoto de gases na atmosfera.
1994: Nikolai N. Ledentsov do AF Ioffe Physical-Technical Institute relata a primeira demonstração de um laser de pontos quânticos com alto limiar de densidade.
Novembro de 1996: Wolfgang Ketterle demonstra o primeiro laser atômico pulsado no MIT, que usa matéria em vez de luz.
Janeiro de 1997: Shuji Nakamura, Steven P. DenBaars e James S. Speck, da Universidade da Califórnia, Santa Bárbara, anunciam o desenvolvimento de um laser de nitreto de gálio (GaN) que emite luz azul-violeta brilhante em operação pulsada.
Os lasers tornaram-se ferramentas padrão em diversas aplicações. Ponteiros laser destacam pontos de apresentação em salas de conferência e indicadores de alvo a laser guiam as bombas inteligentes até seus alvos. Os lasers soldam lâminas de barbear, escrevem padrões em objetos nas linhas de produção sem tocá-los, removem pelos indesejados e branqueiam tatuagens. Telêmetros a laser em sondas espaciais delinearam as superfícies de Marte e do asteróide Eros com detalhes sem precedentes. No laboratório, os lasers ajudaram os físicos a resfriar os átomos a uma pequena fração de grau do zero absoluto.
Comments