Láseres 2006 Dr. Ponciano Rodriguez Montero Oficina 1216 Dr. Carlos G. Treviño Palacios Oficina...

LáseresLáseres 2006 2006

Dr. Ponciano Rodriguez MonteroDr. Ponciano Rodriguez MonteroOficina 1216Oficina 1216

Dr. Carlos G. Treviño PalaciosDr. Carlos G. Treviño PalaciosOficina 1210Oficina 1210

ÓpticaÓptica es el campo de la ciencia y la ingeniería que comprende los fenómenos físicos y tecnologías asociadas con la generación, transmisión, manipulación, detección y uso de la luz

Definición de ÓpticaDefinición de Óptica

Fun

dam

enta

lA

plic

ado

Ciencia Básica

Ciencia Aplicada

Conocimiento a lo Largo del Otro Eje

CienciaCiencia

TecnologíaTecnología

Fun

dam

enta

lA

plic

ado

Altas Energías

Física Nuclear

Gravitación Óptica Física Atómica

Materia Condensada

Teoría de Control Sistemas

Procesamiento de Señales Óptica Comunicaciones Electrónica


CienciaCiencia

TecnologíaTecnología

Diseño Óptico

Materiales Ópticos

Dispositivos

Láseres

Propiedades Ópticas de Materiales

Óptica CuánticaFun

dam

enta

lA

plic

ado

Teoría de Control Sistemas

Procesamiento de Señales Óptica Comunicaciones Electrónica

Fotónica

Óptica

Aplicada

Óptica

Fundam

ental

Altas Energías

Física Nuclear

Gravitación Óptica Física Atómica

Materia Condensada


LáseresLáseres

• La palabra LASER es un acrónimo

¿ Qué es un láser?

ightmplification bytimulated mission ofadiation

LASER

LASER

• En español: Luz Amplificada por Efecto de Radiación Estimulada

Es la herramienta que nos permite determinar las características de los materiales

Es la herramienta que nos permite determinar las características de los materiales

Predicción de la emisión estimulada de luz Albert Eintsein

(1917)

Precursores del láserPrecursores del láser

Gordon, J.P.; Zeiger, H.J.; Townes, C.H. Phys. Rev., 95, 282, 1954. Gordon, J.P.; Zeiger, H.J.; Townes, C.H. Phys. Rev., 95, 282, 1954.

El precursor del LASER fue el MASER (1951) moleculas excitadas de amoniaco

Inversión de población en Levedev (1951)Basov y Prokhorov

Premio Nobel por “Trabajo Fundamental A.H.Townes, en el campo de la electrónica cuántica, que N.G. Basov, llevo a la construcción de osciladores y A.M. Prokhorov amplificadores basados en el principo (1964) maser-laser”

• Gordon Gould 1957 bautizó el “maser óptico” como láser (1957) patente del láser en 1977 (originalmente a Townes y Schawlow)

• Gordon Gould 1957 bautizó el “maser óptico” como láser (1957) patente del láser en 1977 (originalmente a Townes y Schawlow)

Entre 1960 y 1980 se desarrollaron casi todo tipo de láseres

Dato curioso: La demostración del primer láser fue rechazada por Physical Review Letters

Construcción del primer láser T.H. Maiman (láser de rubí)

y se encontro emisión láser en estrellas, nebulosas y planetas

Maiman, T.H. Nature. 187, 493, 1960 (1960)

Maiman, T.H. Nature. 187, 493, 1960 (1960)

Precursores del láserPrecursores del láser

Ganadores del láserGanadores del láser

Premio Nobel en Física (1997) por “el desarrollo de métodos para enfriar y atrapar átomos con radiación laser”

S. Chu, C. Cohen-Tannoudji y W. D. Phillips Premio Nobel en Química (1999) por “estudios de las transiciónes de estados en reacciones químicas usando espectroscopía de femtosegundos” Ahmed H. Zewail

Premio Nobel en Física (2000) por “estudio en tecnología de información y comunicación” Zhores I. Alferov por “desarrollo de heteroestructurasen semiconductores usados en señales a altas velocidades y optoelectrónica” Herbert Kroemer

Premio Nobel en Química (2000) por “el descubrimiento y desarrollo de los polímeros conductrores” Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid, Hideki Shirakawa

Premio Nobel en Física (2001) por “lograr la condensación de Bose-Einstein en gases diluidos de átomos alcalinos, y los primeros estudios de las propiedades de los condensados” Eric A. Cornell Wolfgang Ketterle Carl E. Wieman

Ganadores del láserGanadores del láser

Premio Nobel en Física (2005) por “su contribución al desarrollo de espectroscipia de presición basada en el láser, incluyendo la tecnica de peine óptico de frecuencias”

John L. Hall , Theodor W. Hänsch

La interpretación moderna de la emisión y absorción de luz

fué propuesta en 1917 por Einstein

La suposición fundamental fue que la diferencia de energía

antes y después de la fotoemisión es igual a E = h

Para explicar los fenómenos solamente usaremos el modelo

del átomo de Bohr (1913)

Absorción y EmisiónAbsorción y Emisión

La Interacción e intercambio de energía entre dos niveles puede La Interacción e intercambio de energía entre dos niveles puede

ocurrir de una de las siguientes manerasocurrir de una de las siguientes maneras

(a) Absorcion de Energía E = E2 - E1

(b) Absorción de energía de un fotón de energía E

(c) Emisión espontanea de un fotón de energía E

(d) Emisión estimulada de un fotón de energía E

(e) Decaimiento no radiativo.

E2

E1

E









E2

E1

Eh









E2

E1

E


Elementos básicos de un láserElementos básicos de un láser

Medio activo

Método de bombeo

Cavidad Resonante

Extraccion de parte de la luz de la cavidad

Medio Activo: gaseoso, estado solido, líquido,

semiconductor, ...

Medio ActivoMedio Activo

- electrón

- bombeo

Método de Bombeo: eléctrico, químico, óptico, ...

Los electrónes ocupan estados excitados

Metodo de BombeoMetodo de Bombeo

FluorecenciaFluorecencia

- electrón

- bombeo

- electrón

- bombeo

- fotón

La fluorescencia se da por decaimiento espontáneo


- electrón

- bombeo

- fotón



- electrón

- bombeo

- fotón

y también se da emisión estimulada !!!!!


Si se logra tener suficientes estados excitados bajo las condiciones adecuadas se puede ver Ganacia

- electrón

- bombeo

- fotón

GananciaGanancia

Cavidad Resonante Cavidad Resonante

Confinamos a el medio activo bajo bombeo dentro de una cavidad: dos paredes con características especiales

Los fotónes rebotan en las paredes con el mismo ángulo con que entraron y no pierden el paso !!!


Deshagámonos del medio activo y bombeo por un momento


Despues de un tiempo la mayoria de los fotónes estarán rebotando entre las paredes CON EL MISMO PASO


Ahora abrimos una pequeña puerta en una de las paredes

Extracción ParcialExtracción Parcial

y dejamos que algunos de los fotónes salgan

Estos fotónes salen en un solo rumbo (direccional), el

mismo paso (monocromático) y andar (coherencia)

Extracción ParcialExtracción Parcial

Es decir, tenemos un láser

LáserLáser

ES UNA FUENTE DE LUZ: •MONOCROMÁTICA

Entendemos por luz la región del espectro visible y sus vecinos cercanos (Infrarrojo y ultravioleta)

Para la luz visible: 5 x 1014 Hz El sol tiene un ancho de banda del orden de 1014 Hz (aunque se puede reducir a 1 MHz usando filtros) 100 Hz para un láser (/ 2 x 10-13)

Se puede alcanzar 1 Hz !!!!!!!!!!!

¿Qué es un Láser?¿Qué es un Láser?

ES UNA FUENTE DE LUZ: •MONOCROMÁTICA•COHERENTE

Un ancho de banda finito implica que diferentes ´s pueden desfasarseEl tiempo que dos oscilaciones separadas por es = 1/ (tiempo de coherencia)Para un láser con 1 MHz, = 1 µsecEl tiempo de vida “típico” de la fluorescencia de un átomo se mide en nanosegundos (10-9 seg)Para el sol ( 1014 Hz) 10-14 seg.La longitud de coherencia (z = c ) para un láser se mide típicamente en metros.


Haz incoherente

Haz coherente: láser

CoherenciaCoherencia

ES UNA FUENTE DE LUZ: •MONOCROMÁTICA•COHERENTE•DIRECCIONAL

• La salida de un laser se puede considerar como frentes de onda “ideales” limitados por difracción.

• El ángulo sólido que subtiende está dado por

2/A

Para = 500 nm y A (5 mm)2, = 10-8 estereoradianes


ES UNA FUENTE DE LUZ: •MONOCROMÁTICA•COHERENTE•DIRECCIONAL•ESPECTRALMENTE

BRILLANTE

• La energía concentrada en un rango espectral es muy superior y está más concentrada que la energía equivalente de una fuente térmica convencional


2w

f

2wo 2 wo

Los láseres emiten con una distribución deLos láseres emiten con una distribución de

intensidad gaussiano. intensidad gaussiano.

Las carcácteristica de focalización es diferente a la Las carcácteristica de focalización es diferente a la

luz blanca, y es compatible con las fibras ópticas.luz blanca, y es compatible con las fibras ópticas.

Patrón de RadiaciónPatrón de Radiación

Los láseres trabajan con “luz”: región visible del espectro y vecinos cercanos (UV, IR)

Características del láserCaracterísticas del láser

Período de la luz (1 µm) : 300 THz 3 femtosegundos

1 femtosegundo - es a - 1 segundo 1 segundo - es a - la edad del universocomocomo

Dada ésta característica se pueden tener láseres con diferentes potencias y duraciones:

Continuos (CW) Continuos (CW)

nanosegundosnanosegundos

pico- femto- segundospico- femto- segundos Mode lockMode lock Mode lockMode lock Q-switching, Gain SwitchingQ-switching, Gain Switching Q-switching, Gain SwitchingQ-switching, Gain Switching

Láseres gaseosos

Podemos clasificar a los láseres de acuerdo

al medio de ganacia

Láseres líquidos

Láseres de estado solido

Otros tipos de láseres

Tipos de láseresTipos de láseres

Láseres gaseososSe diferencian por el tipo de transiciones que ocurre

MolecularesAtómicosHe-Ne (Helio-Neón)

He-Cd (Helio-Cadmio)

Vapores de metalVapores de CobreVapores de Oro

CO2 (Dioxido de Carbono)

N2 (Nitrógeno)

Químicos (HF - DF)

Infrarojo lejano

Excimeros

IonesAr+ (Argón)

Kr+ (Kryptón)


AtómicosHe-Ne (Helio-Neón) (1961)

•Longitudes de onda de emisión

nm

nm,

nm,

nm

Tipos de láseresTipos de láseres Láseres gaseosos

Se diferencian por el tipo de transiciones que ocurre

Colorantes bombeados por luz UV

Láseres líquidos Láseres de colorante

Existen alrededor de 500 tipos

de colorantes comunes


Láseres de estado sólido

AislantesRubyNd:YAG, Nd:VidrioCentros de colorAlejandrinaTitanio Zafiro


AislantesRubyNd:YAG, Nd:VidrioCentros de colorAlejandrinaTitanio Zafiro

Semiconductores

Diodos láser

Tipos de láseresTipos de láseres Láseres de estado sólido

Otros tipos de láseres Láser de rayos X

Láser de electrones libres

Un haz de electrones en un acelerador lineal (0- 10 GeV) pasa por un

campo magnetico oscilante y genera radiación coherente

Sintonizables de 278 nm a 100 µm


Láser de rayos X


Láser de altas potencias

Estrella en miniatura creada con NOVA

con 12 TWatts de potencia

Tipos de láseresTipos de láseres Otros tipos de láseres

Láser de rayos X




Láser de silicio !!!!

Boyraz O. & Jalali B. Opt. Express, 12. 5269 - 5273 (2004).Boyraz O. & Jalali B. Opt. Express, 12. 5269 - 5273 (2004).

Láser de rayos X





Boyraz O. & Jalali B. Opt. Express, 13. 791 - 800 (2005).Boyraz O. & Jalali B. Opt. Express, 13. 791 - 800 (2005).

Láser de rayos X





Láser de átomos

Aplicaciones de los láseresAplicaciones de los láseres

Vida cotidianaVida cotidiana — Discos compactosDiscos compactos— Impresoras láserImpresoras láser— Discos duros ópticosDiscos duros ópticos— Lectores de códigos de barrasLectores de códigos de barras

Las aplicaciones de los láseres permean nuestra sociedadLas aplicaciones de los láseres permean nuestra sociedad


Vida cotidianaVida cotidiana — Discos compactosDiscos compactos— Impresoras láserImpresoras láser— Discos duros ópticosDiscos duros ópticos— Lectores de códigos de barrasLectores de códigos de barras— Hologramas identificadoresHologramas identificadores— Comunicaciones por fibra ópticaComunicaciones por fibra óptica— Espectáculos láserEspectáculos láser— HologramasHologramas

HACE TAN SOLO QUINCE AÑOS ESTO ERA RAROHACE TAN SOLO QUINCE AÑOS ESTO ERA RARO



Vida cotidianaVida cotidiana

Medicina Medicina — Cirugía oftálmicaCirugía oftálmica





— Cirugía GeneralCirugía General

— OdontologíaOdontología

AntesAntes

Despues delDespues del

tratamientotratamiento

RestauraciónRestauración

finalfinal





— Cirugía GeneralCirugía General

— OdontologíaOdontología

— DermatologíaDermatología




Medicina Medicina

Investigación científicaInvestigación científica — Investigación básicaInvestigación básica

— EspectroscopíaEspectroscopía

LIDARLIDAR

atómicaatómica




Medicina Medicina

Investigación científicaInvestigación científica — Investigación básicaInvestigación básica

— EspectroscopíaEspectroscopía

— Fusión nuclearFusión nuclear

— Enfriamiento de átomosEnfriamiento de átomos

Condensación deCondensación de

Bose-EinsteinBose-Einstein




Medicina Medicina

Investigación científicaInvestigación científica

IndustriaIndustria— MetrologíaMetrología


— Teodolitos Teodolitos

— Teodolitos Teodolitos

— MetrologíaMetrología




Medicina Medicina

Investigación científicaInvestigación científica

IndustriaIndustria

— Procesamiento de materialesProcesamiento de materiales

SumarioSumario

Los láseres son fuentes de luz con características muy particulares.

Se puede encontrar emisión láser en casi todo estado de la materia y en un gran número de elementos (a la fecha 78 elementos)

Las aplicaciones son tan variadas como las actividades modernas.

Aún quedan muchos problemas por resolver

¿Trabajo a futuro?¿Trabajo a futuro?

El trabajo básico con láseres está casi completo desde el punto de vista básico no podemos competir desde nuestra arena

El reto hoy día es mejorar los sistemas Más rápido, más fuerte, más alto

Attoseg, TeraWatts, rayos-X Attoseg, TeraWatts, rayos-X

Entonces: ¿Qué podemos hacer??

“Podría decirme, por favor, ¿a dónde puedo dirigirme?

“Eso depende en buena medida a donde quieres ir,” dijo el Gato.

“Realmente no importa donde--” dijo Alicia

“Entonces no importa que dirección tomes”, dijo el Gato.

“-- mientras llegue a algún lugar,” dijo Alicia como explicación

“Ah! Seguramente lo vas a lograr”, dijo el Gato,

“si caminas lo suficiente.”

Alicia en el país de las MaravillasLewis Carroll

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