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Laboratório caseiro: transformando um laser de diodo para

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  • Cad. Brs. Ens. Fs., v. 19, n.3: p.393-406, dez. 2002. 393

    LABORATRIO CASEIRO: TRANSFORMANDO UMLASER DE DIODO PARA EXPERIMENTOS DE PTICAFSICA+*

    Francisco CatelliScheila VicenziDepto de Fsica e Qumica Universidade de Caxias do SulCaxias do Sul RS

    Resumo

    O laser de diodo tipo chaveiro est cada vez mais presente nasexperincias realizadas nas aulas de Fsica. um instrumento barato efcil de ser encontrado no mercado, alm de se constituir em umaexcelente fonte de luz: intensa, colimada e bastante monocromtica.Para transform-lo numa til ferramenta de laboratrio para o ensinode fsica, dois problemas devem ser resolvidos: a pouca durabilidadedas pilhas originais e um dispositivo que mantenha a chave sempreligada. Neste trabalho esses problemas so resolvidos de maneirasimples, eficiente e barata; so tambm fornecidos exemplos deexperimentos diversos na rea de ptica fsica, a qual nos parecemenos explorada do ponto de vista experimental.

    Palavras-chave: ptica fsica, ensino de fsica, laser de diodo.

    Abstract

    The commercial pointer diode laser is currently growing in theexperiences carried through in the lessons of Physics. It is a cheap andeasy instrument to find in the market, beyond if constituting in an excel-lent source of light: intense, collimated and sufficiently monochro-matic. To transform it into an useful tool of the physics education labo-ratory, two problems must be considered: a very little durability of the

    + Transforming a diode laser for experiments in optical physics

    * Recebido:maro de 2002. Aceito:agosto de 2002.

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    original batteries and a device that keeps the key always on. In thiswork these problems are solved in a simple, efficient and cheapway. Examples of diverse experiments in the field of physical opticsare supplied. This field seems to us to be less explored in the ex-perimental point of view, which could be improved with the use of thisdevice.

    Keywords: Optical physics, physics teaching, diode laser.

    I. Introduo

    Todo o professor de Fsica que j tentou colimar luz, animado pelos maisdiversos propsitos, certamente ter se maravilhado com as enormes possibilidades quea luz do laser apresenta. A empolgao dever ter aumentado ainda mais ao notar queos lasers de diodo tornaram-se extremamente populares e, principalmente, muitobaratos. Da a pensar em utiliz-los em aulas experimentais de ptica, um pequenopasso. Mas, para tornar tudo mais interessante, surgem alguns problemas. O primeiro:as baterias, semelhantes s de relgio, acabam muito depressai. Alm do incmodo, istoafeta, claro, o custo de operao do laser. Depois, a pequena chave dos lasers de diodo tipo chaveiro (so os mais baratos) deve ser mantida pressionada para que eles

    funcionem. A empolgao corre o risco de virar irritao quando queremos, porexemplo, observar o espectro de difrao da luz do laser que incide em um fio de cabelo

    tente fazer isso sem errar o alvo , nem tremer a mo que mantm a chave ligada.Descrevemos a seguir como todos estes problemas so resolvidos de

    maneira simples, barata e eficiente e, em seguida, mostramos como algunsexperimentos de ptica fsica podem ser realizados com este material.

    II. Uma alimentao mais durvel

    As trs pilhas originais do laser tipo chaveiro podem ser substitudaspelas que encontramos nos mercados em trs tamanhos diferentes: pequena ( AA ),mdia ( C ) e grande ( D ). claro que, quanto maior a pilha, maior o tempo que eladura. Em princpio, pensvamos que a resistncia interna das pilhas influiria na corrente de funcionamento do laser, entretanto, tal no o caso. O laser chaveiro foi posto afuncionar com quatro alimentaes diferentes: trs baterias originais (novas), trspequenas, trs mdias e, finalmente, trs grandes. Em todos os casos, a corrente foimedida e ficou sempre em torno de 42mA, com uma variao inferior a 1 mA, paramais ou para menos. Ficamos curiosos para saber qual a resistncia interna de umabateria de laser; ao medi-la, encontramos um valor de 5 . J uma bateria do tipo AApossui uma resistncia interna bem menor: 0,86 . Certamente a corrente se mantmconstante em todos os casos por conta do circuito eletrnico que controla o diodo laser.

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    Para verificar se o uso de pilhas diferentes das originais afetava o comportamento e adurabilidade do laser, mantivemos um mesmo prottipo ligado durante,aproximadamente doze horas, continuamente, em trs ocasies distintas, e no foidetectado nenhum problema de funcionamento ou superaquecimento.

    Ento, como adaptar de maneira simples uma alimentao, que permita umfuncionamento contnuo do laser durante um longo tempo?

    Voc precisar de um soquete para trs pilhas (as do tipo AA durambastante e permitem uma montagem mais compacta), trs pilhas, duas garras ( tipojacar , pequenas e com isolamento eltrico), uma base de aproximadamente cinco cmde largura por dez centmetros de comprimento (uma pequena tbua ou uma caixa defita cassete, por exemplo), fita isolante, uma faca e um alicate pequeno.

    Abra o laser chaveiro e retire as pilhas originais. Desencapeaproximadamente um centmetro da ponta dos fios vermelho e preto do soquete (sem aspilhas) e fixe as garras-jacar em cada um deles. Tire a capa isolante da garra-jacar eintroduza nela o fio; passe a ponta desencapada pelo orifcio da base da garra e prenda-o atravs das pequenas abas de metal dobrando-as, uma por vez, sobre a pontadesencapada, com auxlio do alicate. Aperte bem, para garantir um bom contatoeltrico. Recoloque a capa isolante. Execute o mesmo procedimento para a outra garra.( claro que o uso de solda do tipo estanho d um resultado mais profissional , masestamos buscando aqui justamente as solues simples, que exijam menos ferramentas e habilidades prvias.) A seguir, com a garra-jacar do fio preto plo negativo prenda a mola no interior do laser, l aonde vo as pilhas originais; o jacar vermelho o plopositivo segura o corpo do laser, como na Fig.1B. Coloque as pilhas no soquete,mantendo a polaridade correta e... pronto! O problema da durabilidade das baterias estresolvido! Se quiser, use a fita isolante para prender o soquete das pilhas e o laser nabase mencionada acima.

    Para manter o laser ligado sem ter que ficar pressionando a chave, bastapassar um pedao de fita isolante bem apertado em volta desta, ou utilize um prendedorde roupa que, alm de manter o laser ligado, evitar que este role sobre a superfcie deapoio, caso no seja usada nenhuma base para ele.

    III. Alguns exemplos de experimentos com o laser de diodo

    Tendo adaptado o laser, este pode ser usado em belas e impressionantesdemonstraes de fenmenos de ptica, tanto geomtricaii quanto fsicaiii. E mais, comalguma teoria, poderemos fazer dele um instrumento de medida realmenteimpressionante. Ser possvel medir o dimetro de fios, a abertura de fendas e pequenos orifcios, o nmero de linhas de CDs, o nmero de linhas em fitas de controle doscartuchos de algumas impressoras jato de tinta, telas de serigrafia e outras faanhasque voc mesmo poder inventar. Porm, para que seja possvel efetuar estas medidascom maior preciso ser necessrio conhecer o comprimento de onda ( ) do laser.Descrevemos a seguir uma maneira de faz-lo. Havendo pouca disponibilidade de

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    tempo em sala de aula, voc poder ir direto s aplicaes, deixando de lado este item.Neste caso, use um valor mdio para o comprimento de onda do laser de diodo(sugerimos o valor de 0,00065 mm, que o resultado de uma mdia das medidas commais de vinte lasers). Os resultados sero, de qualquer maneira ,surpreendentementeacurados.

    Fig. 1A- Material utilizado para montagem do laser: Pilhas, garras -jacare soquete de pilhas. Fig. 1 - O laser montado, mantido ligado com um prendedor deroupa.

    III.1. Medida do comprimento de onda do laser de diodo

    Um laser de diodo pode se transformar em um autntico micrmetro deluz . Basta para isto que seu comprimento de onda seja conhecido com uma incertezarazoavelmente pequena. Este valor , em geral, informado pelo fabricante, pormdentro de uma faixa larga demais, por exemplo, de 630 nm a 680 nm. A tcnica descrita a seguir, alm de levar a um valor de com uma incerteza menoriv, permite aabordagem em aula de vrios conceitos da ptica ondulatria. Como nossa meta a desugerir ao leitor uma montagem com material acessvel e de baixo custo, utilizaremosum CD como rede de difrao. Precisamos, entretanto, de um dado preliminar: oespaamento entre as linhas do CD. So aproximadamente 630 linhas por milmetrov,para CDs de 74 minutos de durao e 650 MB. (Os CDs de 80 minutos de durao tero um nmero maior de linhas por milmetro; os estudantes podero checar isto sequiserem). Para chegar a este valor, medimos cerca de 20 CD s, de diversos tipos,todos com 74 min de durao ou 650MB de capacidade de armazenamento.

    Para a execuo da medida, o material necessrio ser o laser, montadocomo descrito anteriormente, mas com um recurso a mais: posicione, na sada do feixede luz e transversalmente a este, um pedao de mangueira transparente de uns trscentmetros de comprimento por 1,2 cm de dimetro externo (veja a Fig. 2). Uma

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    alternativa simples e eficiente usar massa de modelar para posicionar e fixar amangueira, desta forma, ao colocar o laser (munido desta que na verdade uma lentecilndrica) sobre um papel branco, formar-se- sobre este um trao luminoso, estreito evisvel, mesmo com luz ambiente. claro que o ideal dispor de uma sala que possaser, pelo menos, moderadamente escurecida.

    Fig. 2 - Efeito de expanso do feixe do laser por uma lente cilndrica,improvisada com um tubo de mangueira transparente.

    O elemento fsico dispersor de luz aqui ser um pedao de CD, funcionadocomo uma rede de difrao por refl

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