Lasers como Tecnologia Central do Mundo Moderno e do Futuro

Potencial dos Lasers

Desde que o primeiro laser foi construído em 1960, e os cientistas por trás da física que o tornou possível foram premiados com o Prêmio Nobel de Física em 1964, a tecnologia continuou a encontrar novas aplicações.  Os lasers são comumente usados para:

• gravação e impressão,
• comunicações por fibra óptica,
• discos ópticos,
• fabricação de semicondutores,
• cirurgias,
• tratamentos de saúde,
• medições,
• alvos militares.

Com base nisso, o futuro próximo pode até vê-los se tornando cruciais em processos de fabricação (soldagem, impressão 3D), telecomunicações por satélite, propulsão de espaçonaves, biotecnologia, computação (fotônica), fusão nuclear e até armas.

Princípios dos Lasers

Laser é um acrônimo que significa Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. A ideia principal por trás da tecnologia laser é produzir luz “coerente” em vez de luz comum.

Feixes coerentes de luz criam uma luz muito estreita em um único comprimento de onda que não se dispersa ao longo de longas distâncias.

Fonte: Britannica

A maneira de criar um laser é estimular os átomos do emissor, geralmente feitos de gás, mas que também podem ser líquidos ou sólidos, de modo que eles emitam luz e a maior parte dessa luz fique presa e refletida dentro do laser até que possa escapar como um feixe coerente de luz.

Fonte: University of Kwazulu-Natali

Losers de baixa potência podem ser fabricados para uma ampla variedade de comprimentos de onda de luz, cada um usando seu próprio material para produzir a luz, o que altera como eles operam. Diferentes comprimentos de onda transportarão diferentes níveis de energia e serão absorvidos de forma diferente dependendo do material alvo.

Por exemplo, mesmo apenas no campo médico, muitos lasers diferentes podem ser usados dependendo do objetivo.

Fonte: University of Kwazulu-Natali

(Leitores interessados nos princípios científicos por trás do laser podem ler “Principles of Laser” para saber mais).

Melhorias na Tecnologia dos Lasers

Ao longo dos anos, os lasers melhoraram consideravelmente. Novos materiais aumentaram os comprimentos de onda disponíveis, com CO₂, rubi, titânio-safira e lasers de pontos quânticos (próprio Prêmio Nobel de Física em 2023).

Isso abriu a possibilidade de lasers de pulso ultra‑curto, bem como lasers afinados para aplicações específicas em fabricação e medicina.

Losers de baixa potência rapidamente se tornaram baratos o suficiente para serem integrados a scanners de código de barras na década de 1970. Posteriormente, foram usados para ler dados armazenados em CDs, e depois DVDs e discos Blu‑Ray.

Fonte: Laser Warfare

Novas formas de lasers também podem estar no horizonte, com, por exemplo, “lasers de ar aberto”, que podem ser mais robustos e leves.

Aplicações dos Lasers

Observações em Tempo Infinitesimal

Uma das aplicações de pulsos ultracurtos de laser é “iluminar” um alvo por um período muito breve, na ordem de femtossegundos, um milionésimo de um bilionésimo de segundo.

Isso torna possível a observação de fenômenos como reações químicas de moléculas, antes vistas como instantâneas.

Fonte: Nobel Prize

Progresso adicional está até abrindo um novo campo científico, a ciência attosegundo (1/1000^th de um femtossegundo). Com ela, cientistas podem estudar a dinâmica eletrônica dentro de átomos e moléculas, e a matéria em fase condensada pode ser sondada.

Gravação & Fabricação

Losers podem ser usados para esculpir materiais com alta precisão. No entanto, o problema é que o uso prolongado do laser cria aquecimento rápido do material, gerando ondas de choque danosas. Para lasers poderosos ou materiais que exigem ausência de defeitos, isso costumava ser um problema.

Losers femtossegundo aprimorados ainda realizam a gravação, mas são curtos o suficiente para não superaquecer, removendo esse problema.

Fonte: Nobel Prize

Hoje, os lasers são rotineiramente usados para perfuração, corte, marcação, texturização e soldagem de metais, bem como de plástico, madeira, vidro, etc.

“Muitas das peças fabricadas hoje exigem recursos microscópicos que só podem ser criados com perfuração a laser.

Recursos muito pequenos e complexos podem ser produzidos em uma variedade de materiais, com métodos como escrita direta, trepanação e projeção de máscara, sem efeitos de calor ou dano ao material.”

Matt Nipper, diretor de engenharia da Laser Light Technologies, agora parte da Spectrum Plastics.

Máquinas modernas de laser são controladas por software avançado da mesma forma que máquinas CNC. Ferramentas de fabricação a laser variam de pequenos dispositivos de mesa que custam alguns milhares de dólares a máquinas de fábrica que valem milhões.

Losers podem ser tão precisos que agora são usados para remover isolamento de fios.

“O isolamento pode ser removido com tolerância de 0,005 polegada. A decapagem pode ser programada para ablacionar o isolamento em qualquer ponto ao longo do fio, permitindo remoções de alta precisão no meio do comprimento.”

Matt Nipper, diretor de engenharia da Laser Light Technologies, agora parte da Spectrum Plastics.

 Impressão 3D

Muitas impressoras 3D usam um laser para fundir o plástico ou metal usado para formar o produto final impresso em 3D. Isso inclui fusão por leito de laser, uma técnica que pode se tornar ainda mais precisa e poderosa usando um feixe de laser em forma de anel.

Fonte: International Journal of Machine Tools and Manufacture

Dois lasers simultâneos também podem se tornar um padrão para acelerar o processo de manufatura aditiva.

No geral, à medida que a impressão 3D se torna uma parte cada vez maior dos processos de fabricação, como discutido em “Impressão 3D Consolidando no Futuro da Fabricação”, podemos esperar que a demanda por lasers cresça igualmente.

Usos Médicos

A luz intensa dos lasers pode ser usada para criar aceleração laser‑plasma, acelerando partículas como prótons e elétrons a níveis extremos de energia. Isso pode ser usado para terapia de radiação, com lasers permitindo máquinas pequenas o suficiente para caber em ambientes hospitalares, ao contrário de aceleradores de partículas que são muito maiores e mais volumosos.

Losers ultrarrápidos também são usados para cirurgia ocular, desde a cirurgia LASIK que elimina a necessidade de óculos até a fotocoagulação para tratar retinopatia diabética (doenças da retina).

Fonte: Nobel Prize

Losers podem ser usados para tratamento de pele, desde afetar apenas a camada superior até vasos sanguíneos mais profundos, dependendo do comprimento de onda usado.

Fonte: Laser Focus World

Por fim, os lasers têm aplicações para tratamentos cosméticos, desde remoção de pelos e tatuagens até rejuvenescimento da pele, remoção de cicatrizes de acne e manchas pigmentadas (por exemplo, manchas de idade e sinais).

Armazenamento de Dados

Losers têm sido usados para codificar dados em discos ópticos por várias décadas. Lasers de comprimento de onda mais forte e menor conseguem armazenar dados de forma mais densa, daí a transição para lasers de LED azul para Blu‑Ray.

No entanto, está se tornando claro que discos ópticos não são uma forma durável de armazenamento de dados.

Portanto, muitos métodos usando lasers estão sendo considerados, como gravação de baixa potência em polímeros, outras formas de armazenamento mecânico de dados, gravação em diamantes, ou discos de cristal 5D.

Fonte: University of Southampton

Em qualquer caso, a capacidade dos lasers de serem tão precisos quanto os nanômetros de seu comprimento de onda os torna provavelmente um método preferido de gravação de dados, especialmente para armazenamento a longo prazo.

Gravação em Semicondutores

Desde a origem da indústria, fabricantes de semicondutores usam lasers para preparar o material usado na criação de chips de computador.

Uma vantagem chave é que o corte e a gravação a laser não requerem contato e produzem menos poeira que alternativas, uma vantagem importante para materiais que exigem o mais alto nível de limpeza. O corte a laser também desperdiça menos material e não cria fissuras.

Losers são usados para realizar soldagem, remoção de revestimento e marcação de material e equipamentos de semicondutores.

Computação

À medida que os chips de silício clássicos se tornam quase tão pequenos quanto possível, novas formas de computação são consideradas para continuar aumentando o poder de nossos computadores e data centers.

Uma delas é a fotônica, usando luz em vez de elétrons para transportar os dados computacionais. O método usa muitos lasers ultrarrápidos, bem como sensores de luz e fibras ópticas para substituir transistores de silício e pode ser uma forma de manter a Lei de Moore viva.

Outra opção são os computadores quânticos, usando efeitos quânticos para realizar cálculos normalmente impossíveis para computadores convencionais. Losers podem ajudar aqui também, desde lasers infravermelhos para manipular átomos de hidrogênio até o uso de lasers para magnetizar substâncias não magnéticas.

Telecomunicações

Além de semicondutores & computação, loseres são usados há décadas para transmitir informações.

Losers diodos podem produzir luz coerente com frequência estreita, permitindo múltiplos canais de informação serem enviados através de um único cabo de fibra óptica. Eles são principalmente usados para telecomunicações de longa distância e fabricados usando pontos quânticos.

Losers também podem ser usados para telecomunicações espaciais, seja entre satélites ou entre satélites e estações terrestres.

A principal vantagem de usar comunicações a laser sobre ondas de rádio é a maior largura de banda, permitindo a transferência de mais dados em menos tempo. Outra qualidade é que as telecomunicações a laser são quase impossíveis de interceptar, pois exigiriam que o interceptador estivesse fisicamente próximo ao receptor.

Por exemplo, os satélites Starlink cada contêm 3 links intersatélites a laser (ISLs) operando a 200 Gbps (Gigabytes por segundo) para transmitir dados entre si antes de enviá‑los de volta às estações Starlink.

No futuro, qualquer telecomunicação espacial com possíveis bases na Lua ou Marte também provavelmente usará laser, pois fornece tanto a transferência de dados mais rápida quanto a maior largura de banda possível.

Biotecnologia

Fluorescência

Uma aplicação frequentemente esquecida dos lasers está na biotecnologia. O método inicial foi Fluorescência Induzida por Laser (LIF), onde um laser é usado para fazer tecidos biológicos ou moléculas emitirem luz verde ou vermelha, permitindo sua observação em microscópio de fluorescência.

Fonte: MicroscopyU

Losers são usados em citômetros de fluxo para separar células em uma amostra também.

Um subsegmento importante dessa técnica é a espectroscopia LIF, usada em cromatografia e eletroforese capilar, ambas técnicas muito importantes em bioquímica para a análise de moléculas biológicas.

Sequenciamento Genético & Medicina

Outra aplicação cada vez mais importante da biotecnologia de laser é o sequenciamento genético.

Fonte: Memorial University

Melhorias na tecnologia laser e a queda de custos foram fatores chave para tornar o sequenciamento genético mais generalizado e disponível tanto para pesquisadores quanto para especialistas médicos.

Losers são usados para detecção de câncer e análise de células cancerígenas e também podem ser usados para cortar finas lâminas de tecido para análise posterior.

Sensores e Veículos Autônomos.

Losers podem ser usados para medir o ambiente ao seu redor. Eles podem ser usados para posicionar lasers em fábricas, medir distância ou detectar a presença de um obstáculo.

Sistemas complexos desses lasers são usados em LIDAR (Light Detection and Ranging), usando pulsos de luz laser para medir a distância de objetos ao seu redor. Sistemas LIDAR são rotineiramente usados para mapeamento.

LIDARs são um componente chave da maioria dos sistemas de veículos autônomos (com exceção da dependência exclusiva de câmeras da Tesla ), incluindo Waymo da Google (GOOGL ).

Arma Direta de Energia

À medida que drones se tornam uma ameaça crescente nos campos de batalha modernos, exércitos ao redor do mundo buscam soluções de baixo custo para abatê‑los.

Isso é especialmente importante, pois a maioria dos drones suicidas custa apenas alguns milhares de dólares, tornando qualquer solução baseada em mísseis ou até mesmo em armas de fogo frequentemente mais cara que o alvo.

Uma solução poderia ser armas baseadas em laser, uma sub‑categoria de armas de energia direta (que também inclui feixes de micro‑ondas, por exemplo). A ideia é usar um feixe laser poderoso para queimar o drone antes que ele se torne uma ameaça.

Fonte: Laser Focus World

Como o custo da “munição” seria apenas o custo da energia, isso poderia ser uma das únicas opções viáveis a longo prazo. A ideia ainda está longe de ser madura, com alguns problemas a serem resolvidos antes da implantação em campos de batalha ativos:

• Armas a laser podem ser prejudicadas por clima com neblina.
• O consumo de energia é massivo, tornando tanto sua geração quanto seu armazenamento para disparos rápidos problemáticos.
• Losers tendem a ser dispositivos relativamente frágeis, tornando‑os não tão confiáveis em um papel de linha de frente.

É provável que a primeira aplicação de implantação em larga escala de armamento a laser seja para instalações fixas como bases militares e navios.

Fusão Nuclear

Atualmente, a estratégia dominante para alcançar a fusão nuclear é usar tokamaks, estruturas em forma de donut que utilizam campos magnéticos para conter o plasma.

Como explicamos em “Fusão Nuclear – A Solução de Energia Limpa Definitiva no Horizonte”, este, no entanto, não é o único método possível para alcançar a fusão nuclear. Outra opção é usar lasers para tentar tornar átomos de hidrogênio tão quentes que colidam entre si, o que então cria ondas de choque instantâneas, empurrando os átomos de hidrogênio juntos.

Um bom exemplo é o National Ignition Facility (NIF) dos EUA, que direciona, amplifica, reflete e foca 192 feixes laser poderosos em um alvo do tamanho de uma borracha de lápis. Isso entrega 500 trilhões de watts de potência de pico em um ponto.

Fonte: Britannica

Tais sistemas são bons candidatos para fusão nuclear comercial potencial, e também podem ser úteis para propulsão de fusão pulsada para espaçonaves de longa distância.

Aplicações Espaciais

Astrofísica

A astrofísica frequentemente lida com condições extremas de pressão e temperatura, difíceis de replicar na Terra. Por exemplo, o conteúdo de estrelas ou planetas gigantes gasosos.

Lasers de raios‑X de elétrons livres (XFELs) podem ajudar a estudar tais Matérias Densas Quentes (WDM), o que, por sua vez, pode ajudar a criar melhores espaçonaves e motores de fusão nuclear.

Solar Orbital

Uma possibilidade crescente para geração de energia limpa é a solar orbital. Isso ocorre porque o custo de lançar um sistema de energia em órbita está diminuindo muito rapidamente, tornando viável a ideia de levar milhares de toneladas de carga para órbita ou fabricação baseada no espaço.

Como exploramos em “Soluções de Energia Baseadas no Espaço para Energia Limpa Infinita”, a energia gerada poderia ser transmitida de volta à Terra usando feixes de micro‑ondas ou lasers poderosos.

Vela Solar

Outra possibilidade futura baseada no espaço para lasers são as velas solares. A ideia chave é que, embora os fótons não tenham massa, eles ainda carregam um ínfimo momento.

No ambiente sem peso do espaço profundo, esse pequeno empurrão pode ser suficiente para acelerar uma espaçonave.

Uma vela solar seria uma grande vela feita de folha capaz de capturar luz e transformá‑la em propulsão. Sistemas de laser orbitais ou baseados na Lua poderiam lançar mais luz sobre tal sistema e fazê‑lo acelerar a velocidades inalcançáveis com a propulsão química.

Fonte: For All Mankind TV

Este método poderia até ser usado para viagens interestelares, pois poderia teoricamente empurrar uma espaçonave até 20% da velocidade da luz usando a física conhecida.

Investindo em Tecnologia de Laser

Losers estão presentes em incontáveis partes da tecnologia moderna, de discos ópticos a ferramentas cirúrgicas, impressão 3D, semicondutores, fabricação e sequenciadores de genoma, com um mercado de US$ 17,8 bi esperado para crescer 7,8 % CAGR até 2030.

Você pode investir em empresas relacionadas a lasers através de muitas corretoras, e pode encontrar aqui, em securities.io, nossas recomendações para as melhores corretoras nos Estados‑Unidos, Canadá, Austrália, Reino Unido, bem como muitos outros países.

Se você não está interessado em escolher empresas específicas, também pode olhar para ETFs de tecnologia como iShares U.S. Technology ETF (IYW) ou  ProShares Nanotechnology ETF (TINY) mesmo que não exista um ETF dedicado apenas a lasers, o que proporcionará uma exposição mais diversificada para capitalizar nas ações de nanotech & tecnologia.

Você também pode aprender como investir em gálio em nosso relatório dedicado, já que o gálio é um elemento chave para a fabricação de lasers, atualmente no centro da guerra comercial EUA‑China.

Empresa de Laser

II-VI Marlow / Coherent

Coherent é um grande conglomerado industrial com mais de 26 000 empregados e líder em tecnologia de laser, resultante da fusão da avançada material II‑VI Marlow com o fabricante de lasers Coherent.

A empresa é especialista em materiais avançados usados em lasers, óptica e fotônica, como fosfeto de índio, wafers epitaxiais e arseneto de gálio. Cresceu amplamente graças a múltiplas aquisições na última década.

Fonte: Coherent

A empresa deriva 29 % de suas receitas diretamente de lasers, com o resto ligado a equipamentos associados como fibra óptica e eletrônicos. A categoria de instrumentação inclui principalmente aplicações em ciências da vida e medicina.

Fonte: Coherent

A presença da empresa em materiais avançados como termofotovoltaicos (que discutimos em um artigo anterior), carbeto de silício, lasers e eletrônicos ajuda-a a se beneficiar de tendências estruturais como o crescimento da manufatura de precisão, manufatura aditiva (impressão 3D), eletrificação e energias renováveis.

A empresa separou recentemente seu negócio de carbeto de silício em uma nova entidade, de propriedade 75 % pela Coherent, com o restante dividido igualmente entre seus parceiros Mitsubishi Electric (trazendo propriedade intelectual de potência de carbeto de silício) e Denso (trazendo sua atividade como fornecedor automotivo em eletrificação e semicondutores de potência).

Isso ocorre porque o carbeto de silício está se tornando cada vez mais sua própria tecnologia, usado principalmente em aplicações de alta potência como veículos elétricos, baterias e energia renovável.

Coherent é líder em LIDAR e sensoriamento digital 3D, incluindo para aplicações autônomas, biotecnologia Next Generation Sequencing (NGS) Flow Cells, e lasers para fabricação de semicondutores. Espera‑se que seus principais mercados cresçam entre 8‑20 %.

Fonte: Coherent

Outras potenciais novas aplicações de lasers como armas de energia direta, computação fotônica, fusão nuclear e tecnologia espacial podem igualmente ajudar a sustentar o crescimento de longo prazo da empresa.

No geral, a Coherent está o mais próximo possível de ser uma empresa “pure play” de lasers negociada publicamente para investidores interessados no setor, com forte integração vertical e mais de 3 100 patentes protegendo suas inovações.