Laser - Características e Aplicações na Biologia

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LASER APLICADO À BIOLOGIA
Daniel Pereira Monteiro[1: Graduando do Curso de Bacharelado em Ciências Biológicas - Universidade Federal do Piauí – Campus Ministro Petrônio Portella – Teresina/PI. E-mail: danielpm.pereira@hotmail.com]
Fernanda Rayanne Fonseca Mendes[2: Graduanda do Curso de Bacharelado em Ciências Biológicas - Universidade Federal do Piauí – Campus Ministro Petrônio Portella – Teresina/PI. E-mail: @hotmail.com]
RESUMO
Palavras-chave: Óptica; Laser; Aplicações; Biologia.
ABSTRACT
Keywords: 
INTRODUÇÃO
O laser é um dispositivo que produz um forte feixe de luz coerente de alta intensidade por emissão estimulada. O nome laser é uma sigla resultante do termo em inglês “light amplification by stimulated emission of radiation” e significa amplificação da luz pela emissão estimulada de radiação. 
Criado por Theodore Maiman em 1960, mediante o acúmulo destas e outras descobertas no campo da física e mecânica quântica, o laser desde então avançou tecnologicamente e em aplicação.
Da leitura de CDs e código de barras à depilação em consultórios dermatológicos; da fusão nuclear às operações oftalmológicas na retina; da comunicação telefônica por fibra óptica à manipulação de sistemas biológicos; do controle da poluição ambiental ao relógio atômico mais preciso. (Cf. BARTHEM, 2005, p.80)
Hoje presente em nosso cotidiano e nos vários ramos da ciência, o presente trabalho visa descrever os aspectos gerais do laser e suas aplicações no campo das ciências biológicas. 
CONCEITOS BÁSICOS
O desenvolvimento do laser decorreu de algumas importantes descobertas no ramo da física quântica.
Thomas Young e Albert Einstein contribuíram para a descoberta da dualidade onda-partícula da luz onde: a luz apresenta caráter ondulatório no que diz respeito à sua propagação e caráter corpuscular, ou seja, como partícula no que diz respeito às trocas de energia com a matéria. 
Einstein com as ideias básicas de Max Planck propôs a existência dos fótons, que são partículas de luz que apresentam uma determinada energia e comprimento de onda (dualidade onda-partícula). Cada comprimento de onda corresponde à uma faixa do espectro de luz, podendo ou não ser visível.
Ernest Rutherford e Niels Bohr contribuíram para a definição da estrutura do átomo, que é constituído por um núcleo “maciço” e de carga positiva ao redor do qual giram os elétrons de carga negativa. Para Bohr:
Os elétrons giram ao redor do núcleo em trajetórias circulares bem definidas e nesse movimento de rotação não há emissão de energia pelos elétrons.
Quando, de alguma maneira, o elétron passa de uma órbita para outra, ocorre emissão ou absorção de certa quantidade de energia. (Cf. BAGNATO, 2001, p. 5)
A energia emitida ou absorvida pelos elétrons quando estes mudam de camada é transmitida pelos fótons. Como cada átomo apresenta suas configurações eletrônicas (camadas) próprias, assim cada fóton envolvido numa mudança de camada apresenta um dado comprimento de onda relacionado ao nível dessa mudança. Dessa forma cada átomo apresenta um espectro próprio, com linhas espectrais relativas à sua configuração eletrônica. 
ESTRUTURA DO LASER
Um laser consiste principalmente de 3 partes. A primeira é o meio ativo, que pode ser sólido, líquido ou gasoso. A segunda é a fonte de energia, que pode ser uma fonte luz ou de energia elétrica. A terceira parte é a cavidade ressonante, que consiste em dois espelhos planos e paralelos, um deles com 100% de reflexão e outro que não chegue a esse índice.
O primeiro laser, construindo em 1960 por Theodore Maiman e denominado laser de rubi, consiste em uma pequena barra de rubi (meio ativo), envolvida por um tubo de flash helicoidal contendo gás (fonte de energia). A barra e o tubo estão dentro de um cilindro cujas extremidades planas e perpendiculares consistem em espelhos (cavidade ressonante), um deles com índice de reflexão de 100% e o outro de 85%.
PRODUÇÃO DE LUZ LASER
A produção da luz no laser é extremamente relacionada a sua estrutura e composição. O meio ativo contém os átomos ou moléculas onde as transições dos elétrons vão emitir fótons (luz). A fonte de energia fornece a energia necessária para que os elétrons saltem de camada. E a cavidade ressonante promove a emissão estimulada, processo determinante para as características da luz laser.
O processo inicia-se com o fornecimento de energia ao meio ativo, neste processo parte dos elétrons absorve energia e salta para um nível En, maior que o nível fundamental E1. Alguns elétrons excitados do nível En liberam fótons ao voltar para o nível E1, inicia-se então o processo de emissão estimulada.
Na emissão estimulada “um fóton externo estimula o decaimento do elétron excitado, e este, ao passar para o estado de mais baixa energia, emite um fóton que emerge do sistema juntamente com aquele que causou a transição.”(BAGNATO, 2001, p. 7) 
O fóton que estimulou e o fóton que foi emitido têm energias, frequências, comprimentos de onda, direção e fases iguais. Os fótons que forem emitidos perpendicularmente aos espelhos da cavidade ressonante serão refletidos e iniciarão a ressonância. Nesse processo os fótons refletidos promovem a emissão estimulada com os demais átomos do sistema. Os demais fótons que não forem perpendiculares ao sistema não irão compor o feixe de laser.
Como um dos espelhos não apresenta 100% de reflexão parte da luz (fótons) do sistema passa e forma um feixe de luz laser. Todo esse processo ocorre continuamente de forma que o feixe seja mantido.
CARACTERÍSTICAS DA LUZ LASER
O feixe de luz produzido por um laser tem algumas características particulares em decorrência de seu próprio processo de formação. O aspecto mais notável é que a luz produzida é monocromática, ou seja, a luz laser é composta de fótons, todos da mesma cor e com o mesmo comprimento de onda. Essa característica decorre do fato que os fótons são emitidos por emissão estimulada, assim os fótons emitidos são iguais aos “estimuladores”. 
Os fótons/ondas do laser, formados por emissão estimulada, oscilam em fase e este fator determina duas características: a coerência e a alta intensidade. Quando as ondas apresentam iguais comprimentos de onda, amplitude, frequência, direção e oscilam em fase diz-se que são coerentes, o feixe de laser é formado por ondas com estas características. E como ocorre apenas interferência construtiva a intensidade do feixe laser pode ser extremamente alta.
A cavidade de ressonância permite que apenas os fótons perpendiculares aos espelhos formem o feixe, dessa forma o laser é direcional, ou seja, as ondas se propagam numa mesma direção, de forma paralela ao eixo do tubo.
TIPOS DE LASER
Os lasers podem apresentar meios ativos sólidos, líquidos ou gasosos de diferentes composições, e estes lhes conferem características particulares permitindo uma classificação quanto ao tipo de meio ativo.
Os lasers de estado sólido, como o próprio nome indica, é constituído de um material sólido, geralmente Rubi (Al2O3 + Cr3+), ou semissólido, pertencente a família YAG (ítrio-alumínio-granada) como o Nd-YAG (Neodímio) e o Er-YAG (Érbio). A fonte de energia desses lasers geralmente são lâmpadas de flash.
Lasers a gás são energizados com descargas elétricas nos gases que compõem o meio ativo. Os gases utilizados geralmente são o Argônio (Ar), o gás carbônico (CO2) ou uma mistura de Hélio e Neônio (He-Ne). Os únicos com meio ativo líquido são os lasers de corantes ou Dye Laser, que utilizam substâncias como a rodamina ou a cumarina.
Os díodos AsGaAl (Arsenato de Gálio e Alumínio) e AsGa (Arsenato de Gálio) são energizados por correntes elétricas e compõem os lasers semicondutores. Os lasers de excímeros (dímeros excitados) usam gases reativos como o Cloro (Cl) e o Flúor (F) misturados gases inertes como o Argônio (Ar), Criptônio (Kr) ou Xenônio (Xe).
CLASSIFICAÇÃO DOS LASERS
“Os lasers são classificados de acordo com a potência de emissão da radiação podendo ser: laser de alta, média e baixa potência.” (NEVES, et. al., 2005). 
O laserde alta potência, laser quente ou hard laser emite radiação de potência alta e possui uma ação fototérmica de corte, vaporização e esterilização. Os principais lasers de alta potência são os de excímeros, Ar, Dye, Rubi, família YAG e CO2.
O de média potência ou mid-laser como o de He-Ne ou o díodo AsGa emite radiação de potência mediana. E o laser de baixa potência, laser frio ou soft-laser podendo ser de He-Ne ou díodo (AsGa e AsGaAl) emite radiação de baixa potência.
CONCLUSÃO
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
BAGNATO, V. S. Os fundamentos da luz laser. In: Física na escola, v. 2, n. 2, 2001. p. 4-9.
BARTHEM, R. Lasers. In: A luz. São Paulo: Livraria da Física: Sociedade Brasileira de Física, 2005. p. 80-91.
Grupo de Ensino de Física da UFSM. Laser. Disponível em: <http://coral.ufsm.br/gef/ Moderna/moderna13. pdf>.Acesso em: 30.jan.2016.
NEVES, L. S. [et. al.] A utilização do laser em ortodontia. In: A dental press ortodon ortop facial. v. 10, n. 5, p. 149-156. Maringá, 2005.
TIPLER, P. A.; MOSCA, G. Física para cientistas e engenheiros. 5. ed. v. 2. Rio de Janeiro: LTC, 2006.