Construção de equipamentos didáticos para o estudo da polarização intrínseca do LASER

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## Construção de equipamentos didáticos para o estudo da polarização intrínseca do LASER

Marisa Almeida Cavalcante [marisac@pucsp.br]

Cristiane R. C. Tavolaro [cris@pucsp.br] Daniele Guimarães [daniele@voicetechnology.com.br]

GoPEF- (Grupo de Pesquisa em Ensino de Física) - Pontifícia Universidade Católica de São Paulo

## RESUMO

Este trabalho mostra um novo método de estudo do fenômeno da polarização de um feixe de LASER, utilizando a placa de som do microcomputador para aquisição de dados, visando sua introdução em laboratórios didáticos de Ótica Física e Física Moderna do Ensino Médio e Superior. Um feixe de laser He-Ne gasoso incide em um analisador (polarizador) com orientação definida e um sensor ótico fornece um sinal elétrico cuja amplitude é proporcional à intensidade de luz incidente sobre ele. Uma versão shareware do software de análise e composição sonoraAdobe Audition 1.5, permite a coleta de dados durante longos intervalos de tempo (2 ou mais horas). Resultados preliminares mostram alterações no estado de polarização do feixe com o tempo, indicando uma certa periodicidade na rotação do campo elétrico. Outras medidas estarão sendo obtidas na tentativa de buscar uma relação entre o processo de obtenção do feixe de laser e a evolução com o tempo no seu estado de polarização, além de um estudo teórico sobre o fenômeno observado.

## INTRODUÇÃO

Fontes de luz LASER (light amplification by stimulated emission radiation) têm características intrínsecas que causaram, desde sua descoberta por volta d e 1960, grande impacto na ciência e tecnologia -acredita-se que atualmente R1 mais de um terço dos trabalhos científicos experimentais publicados em física e química utilizam LASERs. Na biologia e medicina, o LASER aliado a outros dispositivos como fibras óticas, polarímetros e redes de difração, possibilitou e facilitou tanto as pesquisas que se acredita que teria havido uma estagnação dessa ciência sem o mesmo. Na área tecnológica, LASERs têm aplicação insubstituível em leituras, comunicações e memórias óticas.

No ensino de física R2,3 o LASER vem sendo utilizado em grande escala em sensores de posição e medidas de intervalos de tempo, tanto nos laboratórios de mecânica, oscilações e acústica como obviamente no estudo dos fenômenos óticos nos laboratórios de ótica geométrica e ótica Física, tais como o estudo de polarizaçã o R4,5 e ainda em medidas de dimensões da ordem de micrometros nos laboratórios de física moderna. A compreensão da produção, características, bem como aplicações do LASER são, portanto, de grande importância para o estudante de Física e Engenharia e outras áreas afins R6,7 .

- O funcionamento do LASER baseia-se num fenômeno explicado pela Mecânica Quântica: inversão de população, onde uma grande quantidade de átomos do meio ativo é levada a um estado excitado específico (elétrons 'saltam' para uma camada superior de energia) e ao retornarem ao estado fundamental ocorre emissão da luz característica. No entanto, entendemos a luz como um ente físico de natureza dual, isto é, onda-partícula. Falamos da luz como constituída de ondas

eletromagnéticas ou como constituída de partículas de luz, os fótons. A discussão em torno da natureza da luz constitui um dos capítulos mais interessantes da História da Física e a ela está atrelado o nascimento e desenvolvimento da Física Moderna R3,6 (Mecânica Quântica). Portanto, entender o LASER e suas características nos remete à discussão de fenômenos de grande importância para o entendimento da Física do século XX, incluindo as interpretações filosóficas.

A luz emitida pelo LASER é coerente, uma vez que os fótons estão correlacionados; quase monocromática, pois a faixa de freqüência no espectro eletromagnético é pequena; direcionada, por se espalhar pouco e pode ser polarizada pois como toda luz, o LASER também possui natureza eletromagnética. Os primeiros estudos sobre a polarização visavam investigar a natureza da luz, mostrando que a mesma apresenta natureza ondulatória transversal. Atualmente conseguem-se informações sobre a estrutura de um corpo, a partir do estado de polarização da luz emitida ou refletida por ele. Isso torna a polarização uma técnica de pesquisa útil ao estudo dos mais variados tipos de estruturas, tratando-se então de um aspecto altamente relevante como característica de um LASER.

## DESCRIÇÃO DO TRABALHO

Inicialmente analisamos os LASERs para fins didáticos existentes no Laboratório de Física da PUC/SP (LASER de He - Ne das empresas Pasco Scientific e CIDEPE) e também o de feixes de LASERs semicondutores de baixo custo (ponteira laser). Todos eles foram testados da forma descrita na figura 1. Dessa forma podemos distinguir se estão polarizados.

Figura 1. Um polarizador intercepta o feixe de LASER antes de sua projeção no anteparo. Girando o polarizador e analisando a intensidade da luz no anteparo, podemos verificar a posição em que a luz tem intensidade máxima.

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Girando o polarizador da fig 01, não é possível visualizar nenhuma variação na intensidade dos feixes de LASER He-Ne projetado no anteparo, o que num primeiro momento poderia nos levar a concluir que estes feixes são emitidos sem nenhum grau de polarização. No entanto, para investigar mais detalhadamente possíveis estados de polarização desses LASERs, passamos a utilizar um sensor ótico R5 que nos permite analisar com maior precisão a variação da intensidade da luz. O diagrama de blocos da figura 2 mostra o sistema que estamos utilizando atualmente.

Figura 2-Diagrama de Blocos do equipamento.

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Um sinal elétrico é produzido pela incidência de luz no sensor ótico (fototransistor) e é analisado em tempo real no microcomputador. Como a captura deste sinal se faz através da placa de som (não captura sinais DC) R8,9 é necessário que a informação seja transmitida com componentes AC. Para isso introduzimos uma ventoinha com uma freqüência de giro constante entre o polarizador e o sensor, o que permite gerar as componentes AC necessárias para a captura com a placa de som. A informação sobre a luz proveniente do polarizador é introduzida no microcomputador pela placa de som e analisada por um software gratuito (Adobe Audition 1.5 R10 ou similar) que permite fazer medidas de tempo com mais facilidade e precisão que o osciloscópio.

## RESULTADOS OBTIDOS

As figuras 3 e 4 mostram a tela do software analisador. O feixe de LASER (Pasco Scientific) foi monitorado durante cerca de 15 minutos sem o polarizador (fig. 3) e 60 minutos com o polarizador (fig. 4). Com o polarizador fixo, a intensidade da luz varia periodicamente passando por máximos e mínimos, evidenciando que o plano de polarização do LASER gira em torno de seu eixo R5 .

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Figuras 3 e 4 - Sem o polarizador (à esquerda), a intensidade do feixe se mantêm constante, mostrando a estabilidade do funcionamento do LASER. A variação, antes imperceptível mesmo com o polarizador, fica evidente quando se utiliza o sensor ótico acoplado à placa de som do PC. O analisador do sinal captado mostra que sua amplitude varia periodicamente com o tempo, isto é, o LASER se apresenta polarizado, mas seu plano de polarização está girando.

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O software analisador permite medir o período de rotação do plano de polarização, porém, como fica evidente no gráfico da figura 5, esse período não é constante.

Figura 5- O software analisador fornece os períodos de rotação do plano de polarização do LASER. O gráfico mostra a variação do período de rotação em função do tempo de funcionamento.

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## COMENTÁRIOS

A utilização da placa de som do computador para aquisição de dados constitui uma linha de pesquisa em ensino de física que vem sendo bastante difundida, de acordo com os trabalhos recentemente apresentados no XV Simpósio Nacional de Ensino de Física e publicados na revista brasileira de ensino de Física R11,12 . O trabalho descrito reflete a importância deste novo método de medição de modo que daremos prosseguimento às medidas na tentativa de estabelecer uma relação entre a evolução com o tempo no estado de polarização do feixe e o seu processo de produção bem como compreender e estudar o fenômeno do ponto de vista teórico.

Este trabalho permitirá portanto desenvolver recursos didáticos de baixo custo, porém muito eficientes, que poderão ser utilizados no estudo de propriedades intrínsecas atribuídas a diferentes processos de produção de um feixe de laser.

## REFERÊNCIAS

- 1. Catunda T.; Pataia A.; Romero A.; Sartori J. e Nunes L. 'Laser de Semicondutor Visível: um Instrumento Didático de Baixo Custo'. Revista Brasileira de Ensino de Física vol. 20, no 3, setembro de 1998, pág. 230.
- 2. Cavalcante M.A Tavolaro C. R. C. 'Cuidados na Utilização de Sistemas de Aquisição de Dados no Ensino de Física' - Revista Brasileira de Ensino de Física vol. 22 no.02, 2000.
- 3. Cavalcante M. A.; Tavolaro C. R. C. 'Uma Oficina de Física Moderna que vise sua inserção no ensino médio' - Caderno Catarinense de Ensino de Física vol. 18 n.o 3, Dezembro de 2001.
- 4. Costa, E. V. 'Medidas de intensidade luminosa. Polarização' Revista Brasileira de Ensino de Física. Vol. 24 no 1, março de 2002.
- 5. Seale, W. Apostila do Instituto de Física da USP, socrates.if.usp.br/~lkono/grad/fap214/exp6e7p2.doc - 05/2004.
- 6. Cavalcante M. A.; Tavolaro C. R. C. 'Física Moderna Experimental'. Editora Manole, Brasil, 2003. 1a edição.
- 7. Mendonça, Paulo E. M. F. 'O LASER na Biologia'. Revista Brasileira de Ensino de Física. Vol. 20 no 1 março de 1998. pág 88.
- 8. Montarroyos, E. ;Magno, W. C. 'Aquisição de Dados com a Placa de Som do Computador.' Revista Brasileira de Ensino de Física. Vol. 23 no 1 março de 2001 pág 57.
- 9. Haag, R. 'Utilizando a Placa de Som do Micro PC no Laboratório Didático de Física.' Revista Brasileira de Ensino de Física. Vol. 23 no 2, junho de 2001 pág 176.
- 10. http://www.adobe.com/products/audition/main.html para download do software Adobe Audition 1.5.
- 11. Cavalcante M.A; Tavolaro C. R. C. 'Medindo espectros sonoros para determinar a velocidade do som' XV Simpósio Nacional de Ensino de Física SNEF, Curitiba, março de 2003.
- 12. Cavalcante M. A.; Silva E.; Hagg R.; Prado R.; 'Estudo de Colisões Através do Som' Revista Brasileira de Ensino de Física Vol 24 no. 02, junho de 2002, pág 150.