Em 16 de maio de 1960, Theodore Maiman acendeu uma luz de alta potência sobre um rubi parcialmente coberto com prata e o resultado foi o primeiro laser do mundo. Mas esse dispositivo inovador não foi criado por um só gênio trabalhando em isolamento. Na verdade, o laser foi resultado do compartilhamento de ideias de várias mentes brilhantes… ao menos até chegar a hora de dividir os lucros.
O início da história
A maioria dos historiadores afirma que o desenvolvimento do laser começou com Albert Einstein que, em 1917, estava engajado em um de seus experimentos mentais — dessa vez sobre o fenômeno da emissão de energia, assim descrito por outros especialistas: “se um átomo está em um estado excitado, após algum tempo ele pode espontaneamente decair até um baixo nível de energia, liberando energia na forma de um fóton, que é emitido em uma direção aleatória. Esse processo se chama emissão espontânea”.
Acreditando que, se apenas o fóton correto estiver disponível “conforme a luz passa através de uma substância, ela pode estimular a emissão de mais luz”: “Eistein postulou que fótons preferem viajar juntos, no mesmo estado… se passar um fóton perdido, solto do comprimento de onda correto… sua presença vai estimular os átomos a liberarem seus fótons [na chamada emissão estimulada]… e esses fótons vão viajar na mesma direção com frequências e fases idênticas às do fóton perdido original. O que se segue é um efeito cascata: conforme a aglomeração de fótons idênticos se move com o resto dos átomos, mais fótons serão emitidos, a partir de seus átomos, para se juntarem a eles”.
Em 1928, Rudolph W. Landenburg confirmou a teoria de emissão estimulada de Einstein, e assim começou a busca pelo que um dia se tornaria o laser.
Coerência
Observe que há uma diferença fundamental entre os dois tipos de emissões: quando ocorre espontaneamente, a energia é liberada aleatoriamente e em várias frequências; mas, quando é estimulada, a energia liberada vai espelhar a frequência e viajar na mesma direção que o fóton estimulante, com o efeito sendo capaz de “amplificar” a absorção da energia radioativa original.
Essa capacidade de uma emissão estimulada se manter focada em uma quantidade bem restrita de frequências, sua coerência, é a chave para produzir radiação eletromagnética amplificada, útil como ferramenta nas comunicações (e também uma intensa fonte de energia): “Fontes de energia anteriores, tais como lâmpadas incandescentes, são fontes “incoerentes”, uma vez que elas geram energia simultaneamente sobre uma porção relativamente grande do espectro eletromagnético. Fontes de radiofrequência, por outro lado, são bastante coerentes. As vantagens de uma fonte coerente são muitas [e incluem a habilidade de]… obter informações de uma fonte desejada enquanto filtra e exclui todas as outras. Se a sua estação de rádio favorita é transmitida sobre uma grande parte do espectro (como seria se ela fosse incoerente) haveria a interferência…”
O MASER
No começo, a capacidade dos cientistas de amplificar e gerar energia estava limitada às extensões baixas e médias do espectro eletromagnético, que se estende desde as frequências mais baixas “onde opera seu receptor AM. Frequências progressivamente mais altas são denominadas onda curta; VHF (de ‘very high frequency’, frequência muito alta), contém as bandas de FM e TV; UHF (de ‘ultra high frequency’, ou frequência ultra alta); microondas, onde opera a maior parte dos radares; infravermelho ou ondas de calor; luz; ultravioleta, raios-x, raios gama e, finalmente, raios cósmicos”.
Em 1954, Charles Townes e Jim Gordon da Universidade de Columbia, nos EUA, e Nicolay Basov e Alexsandr Prokhorov, na Rússia, desenvolveram separadamente o precursor do laser, o MASER, sigla para Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation (ou amplificação de microondas pela emissão estimulada de radiação), que amplificava microondas.
Townes e seu futuro cunhado, Arthur Schawlow, apareceram com um plano de uso limitado, publicado em 1958 na Physical Review, para amplificar frequências maiores de infravermelho e luz visível, no qual “o laser protótipo [foi] equipado com um par de espelhos, cada um no final de uma cavidade de laser. Fótons de comprimentos de onda específicos seriam então refletidos pelos espelhos e viajariam para lá e para cá através do laser. Ao fazer isso, eles fariam com que os outros elétrons relaxassem de volta a seus estados originais, emitindo ainda mais fótons no mesmo comprimento de onda…”
O LASER
A proposta de Townes-Schawlow mexeu com Theodore Maiman, do Laboratório de Pesquisa Hughes em Malibu, Califórnia. Em 16 de maio de 1960, Maiman foi o primeiro a ter sucesso ao amplificar a radiação do espectro visível: “Uma fonte de luz, na forma do poderoso clarão de uma lâmpada, irradiou um cristal de rubi sintético [com duas faces paralelas cobertas de prata], que absorveu energia sobre uma ampla banda de frequências. Essa energia ótica excitou os átomos até um estado de maior energia, do qual a energia foi irradiada novamente em uma estreita banda de frequências. Os átomos excitados foram acoplados a um ressonador óptico e estimulados a emitir juntos a radiação…”
Ainda que nenhum facho de luz brilhante tenha sido emitido na primeira demonstração da potência, como Townes observou, ainda assim o equipamento era um laser, pois produziu energia com “uma gama acentuadamente estreita dentre as frequências que continha. Isso era exatamente o que havia sido previsto [pelo artigo de 1958, e foi a] prova definitiva da ação do laser. Pouco depois, brilhantes pontos vermelhos dos feixes de laser rubi eram vistos e admirados acertando as paredes tanto do laboratório de Mainman em Hughes quanto do laboratório de Schawlow em Nova Jersey…”
A briga pela patente
Uma das pessoas que estava desde o começo na equipe de Townes era Gordon Gould, um estudante da Universidade de Columbia que teve diversas ideias para sua tese de graduação relacionadas ao “‘bombeamento’ de átomos até estados de energia mais altos, para que conseguissem emitir luz”. Essas ideias foram compartilhadas com Townes. Na verdade, foi Gould que cunhou o termo Amplificação da Luz por Emissão Estimulada de Radiação: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER).
Antecipando que suas ideias seriam absorvidas para dentro da pesquisa de Townes, em 1957 Gould começou a anotá-las e guardá-las, a ponto de ter algumas páginas de seus cadernos registradas em cartório. Conforme se cristalizavam suas respectivas ideias e propostas, os dois campi corriam para resguardar seus direitos: “Gould preencheu uma patente do laser em abril de 1959, mas ela foi negada pelo pelo Gabinete de Patentes e Marcas dos EUA, em favor da patente do maser ótico de Schawlow e Townes (dada em 1960)…”
Não foi tão injusto quanto parece, já que Townes e Schawlow pediram sua patente em favor do Bell Laboratories nove meses antes de Gould. Em todo caso, depois da patente ter sido concedida ao Bell, Gould entrou com uma ação e começou a “Guerra dos Trinta Anos das Patentes”. O litígio se arrastou, mas, finalmente, a partir de 1987 Gould passou a ganhar dividendos pelas suas patentes reinvindicadas. Ao final da batalha jurídica, Gould recebeu “48 patentes pelos aspectos comercialmente valiosos dos lasers”.
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