O LASER - FUNDAMENTOS E APLICAÇÕES PARA CONTEXTUALIZAÇÃO DE CONCEITOS DE FÍSICA MODERNA NA SALA DE AULA

## O LASER - FUNDAMENTOS E APLICAÇÕES PARA CONTEXTUALIZAÇÃO DE CONCEITOS DE FÍSICA MODERNA NA SALA DE AULA

## On Ja Fraga Moreira¹, José Paulo Cury Kirkorian 2

- 1 Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia de São Paulo, onjafmoreira@gmail.com
- ² Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia de São Paulo, gircoreano@ifsp.edu.br

Palavras-chave : laser, física moderna, ensino.

## Resumo expandido

O presente trabalho, desenvolvido em nível de Iniciação científica, apresenta um estudo do desenvolvimento da tecnologia laser e a caracterização do seu funcionamento em algumas aplicações práticas, elementos que acreditamos podem ser usados para contextualizar o ensino de alguns conceitos de Física Moderna.

Considerando o 'modelo de átomo de Bohr', os elétrons se movem ao redor do núcleo atômico em órbitas caracterizadas por uma quantidade de energia bem definida, podendo mudar de uma órbita para outra se absorverem ou emitirem fótons de energia correspondente à diferença de energia entre essas órbitas. O laser funciona a partir desse princípio, mas de forma 'intencional', com a chamada emissão estimulada: um fóton com um comprimento de onda 'ideal' passando por um meio (chamado meio ativo ou ganho) pode impulsionar a emissão de outros fótons, iguais ao que provocara a emissão inicial, com mesmas fase e frequência, numa reação em cadeia, amplificando tremendamente o efeito obtido [1].

Além do meio ativo, é necessária uma fonte externa energia, chamada de bombeio , e um sistema para realimentação, pois é necessário que a luz amplificada seja confinada em um ressonador de modo a garantir consecutivas passagens da luz pelo meio ativo, e assim, obter um ganho considerável. Esse ressonador é chamado de cavidade óptica . Abaixo temos um esquema básico de um laser. Um conceito importante na tecnologia é a chamada inversão de população, situação em

Figura 1Figura 1: Esquema dos componentes que constituem uma fonte LASER. (1) espelho de reflexão total, (2) espelho de reflexão parcial (3) Meio ativo (4) Fonte de energia (5) feixe laser emergente. Fonte: Autor.

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que se tem um grupo com mais átomos em estado excitado do que com baixa energia.

- O físico sovíético Valentim Fabrikant teria sido o primeiro a pensar em uma tecnologia que usaria a emissão estimulada para geração de luz no final da década de 1930, apesar de não eficiente. Estudos para uso de ondas na região das microondas em radares e comunicação na II Grande Guerra Mundial acabaram possibilitando o domínio da técnica de estabilização e amplificação de micro-ondas, o que levou à criação do MASER (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation ) em 1954. O laser ( Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) veio a ser construído em 1960 [2].
- O uso em medicina foi iniciado em 1961, na área de oftalmologia, com a foto coagulação de um tumor de retina com um protótipo de laser de rubi [3,4]. A partir de 1964, foi estudado e utilizado na odontologia. Outros tipos de aplicação mostraram a aceleração da regeneração de tecidos [5].
- A atuação do laser nas diversas áreas da medicina ocorre através da destruição celular ou de substâncias orgânicas, provocando foto coagulação, queimadura, liquefação ou vaporização. Instrumentos e equipamentos lasers propiciaram o avanço para tratamento e diagnóstico em ciências biomédicas, sobretudo na neurocirurgia; aparelhos oftalmológicos tem a finalidade de avaliar possíveis alterações na camada de fibras nervosas da retina; na odontologia, os equipamentos são utilizados para diagnosticar e tratar cáries, fazer clareamento (entre outros); na dermatologia podem ser feitos uma série de tratamentos, podendo ser estes rejuvenescimento, remoção de pelos, regeneração tecidual, manchas e etc.[6]

Hoje em dia, na área industrial o laser é tão utilizado que é quase impossível se pensar em processos sem o seu uso. Além disso, possibilitou o armazenamento de dados em discos compactos, impressoras a laser, leitores de código de barras, controles dimensionais, marcação a laser, cortes de chapas de aço inox, corte de tubos, solda a laser, entre outros [7].

Devido à grande variedade de aplicação, também há uma grande variedade de tipos de lasers. Os lasers podem ser classificados entre de impulso (pulsáteis) ou contínuos, o primeiro fornece uma energia extremamente alta em muito pouco tempo, e o segundo emite sua energia aos poucos com uma intensidade menor. Além de que o meio ativo do laser pode ser sólido, líquido, gasoso ou semicondutor, sendo que geralmente o laser é classificado de acordo com a matéria usada em sua fabricação [8].

No quadro 1, apresentamos algumas aplicações do laser em função de sua potência:

Tabela 1 - Tipos de Lasers e suas respectivas potências

Continua

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Continuação do quadro 1

Através do estudo realizado, elencamos no quadro 2 sugestões de conteúdos ligados à Física Moderna que poderiam ser contextualizados a partir da discussão e análise de características e aplicabilidades do laser.

Quadro 2 - Temas a serem abordados e como podem ser abordados

Fonte: autor

A Física Moderna traz uma perspectiva nova e de alta complexidade que não deve ser desconsiderada no processo de ensino, uma vez que trata de fenômenos que fogem ao senso comum e do mundo descrito pela Física Clássica, a física do nosso dia a dia e, assim, oferecendo dificuldades para o seu entendimento coerente

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por parte dos estudantes. Em um momento posterior, pretendemos elaborar um plano de aulas que aborde os temas como sugeridos no quadro 2.

Esperamos que a discussão que aqui propusemos possa oferecer um material para o enriquecimento das discussões sobre de tais temas em sala de aula, a partir da abordagem de uma tecnologia tão próxima de todos nós.

## Referências

[1] SANTANA, W.A.L. de; Freire Jr, O. Contribuição do físico brasileiro Sergio Porto para as aplicações do laser e sua introdução no Brasil. Instituto de Física, Universidade Federal da Bahia, Salvador, BA, Brasil. Revista Brasileira de Ensino de Física v. 32, n. 3, 3601, 2010.

[2] BAGNATO, Vanderlei S. Os fundamentos da luz: Laser, Instituto de Física de São Carlos, Universidade de São Paulo, C. P. 369, Física na Escola, v. 2, n. 2, 2001;

- [3] Fankhauser, F. e Kwasniewska S. Lasers in Ophthalmology - Basic, Diagnostic and Surgical Aspects, pg 115 a 117, 2003.
- [4] ÁVILA, Marcos. A Retina no século XXI. Arquivos Brasileiros de Oftalmologia. vol.66 no.5 São Paulo Sept./Dez. 2003;
- [5] Mester, E, Ludany, G, Selyei, M, Szende, B, and Total, G J. THE STIMULATING EFFECT OF LOW POWER LASER RAYS ON BIOLOGICAL SYSTEMS. United Kingdom: N. p., 1968.
- [6] DRUMMOND, A. M. C. Confiabilidade metrológica de equipamentos eletromédicos a laser e a luz intensa pulsada, 2007, pág. 33 a 61. Dissertação de Mestrado, PUC- Rio, 2007;

[7] RODRIGUES. D. S. A Física do Laser. 2017. 36 pág. Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia - Minas Gerais, julho de 2017.

[8] Jorge A. C. T; Cassoni A; Rodrigues J. A. Aplicações dos Lasers de Alta Potência em Odontologia. 2010. Revista Saúde - UNG Sergipe, Vol. 4, n. 3, 2010.

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