View
45
Download
0
Category
Preview:
DESCRIPTION
Láseres 2006. Dr. Ponciano Rodriguez Montero Oficina 1216 Dr. Carlos G. Treviño Palacios Oficina 1210. Definición de Óptica. - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
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
Conocimiento a lo Largo del Otro Eje
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
Conocimiento a lo Largo del Otro Eje
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
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
Eh
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
Eh
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
Eh
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
Absorción y EmisiónAbsorción y Emisión
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
La fluorescencia se da por decaimiento espontáneo
- electrón
- bombeo
- fotón
FluorecenciaFluorecencia
La fluorescencia se da por decaimiento espontáneo
- electrón
- bombeo
- fotón
y también se da emisión estimulada !!!!!
FluorecenciaFluorecencia
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 !!!
Cavidad Resonante Cavidad Resonante
Deshagámonos del medio activo y bombeo por un momento
Cavidad Resonante Cavidad Resonante
Despues de un tiempo la mayoria de los fotónes estarán rebotando entre las paredes CON EL MISMO PASO
Cavidad Resonante Cavidad Resonante
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.
¿Qué es un Láser?¿Qué es un Láser?
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
¿Qué es un Láser?¿Qué es un Láser?
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
¿Qué es un Láser?¿Qué es un Láser?
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)
Tipos de láseresTipos de láseres
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
Tipos de láseresTipos de láseres
Láseres de estado sólido
AislantesRubyNd:YAG, Nd:VidrioCentros de colorAlejandrinaTitanio Zafiro
Tipos de láseresTipos de láseres
AislantesRubyNd:YAG, Nd:VidrioCentros de colorAlejandrinaTitanio Zafiro
Semiconductores
Diodos láser
Tipos de láseresTipos de láseres Láseres de estado sólido
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
Tipos de láseresTipos de láseres
Láser de rayos X
Láser de electrones libres
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 electrones libres
Láser de altas potencias
Tipos de láseresTipos de láseres Otros tipos de láseres
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
Láser de electrones libres
Láser de altas potencias
Tipos de láseresTipos de láseres Otros tipos de láseres
Láser de silicio !!!!
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 electrones libres
Láser de altas potencias
Tipos de láseresTipos de láseres Otros tipos de láseres
Láser de silicio !!!!
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
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— 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
Las aplicaciones de los láseres permean nuestra sociedadLas aplicaciones de los láseres permean nuestra sociedad
Aplicaciones de los láseresAplicaciones de los láseres
Vida cotidianaVida cotidiana
Medicina Medicina — Cirugía oftálmicaCirugía oftálmica
Las aplicaciones de los láseres permean nuestra sociedadLas aplicaciones de los láseres permean nuestra sociedad
Aplicaciones de los láseresAplicaciones de los láseres
Vida cotidianaVida cotidiana
Medicina Medicina — Cirugía oftálmicaCirugía oftálmica
— Cirugía GeneralCirugía General
— OdontologíaOdontología
AntesAntes
Despues delDespues del
tratamientotratamiento
RestauraciónRestauración
finalfinal
Las aplicaciones de los láseres permean nuestra sociedadLas aplicaciones de los láseres permean nuestra sociedad
Aplicaciones de los láseresAplicaciones de los láseres
Vida cotidianaVida cotidiana
Medicina Medicina — Cirugía oftálmicaCirugía oftálmica
— Cirugía GeneralCirugía General
— OdontologíaOdontología
— DermatologíaDermatología
Las aplicaciones de los láseres permean nuestra sociedadLas aplicaciones de los láseres permean nuestra sociedad
Aplicaciones de los láseresAplicaciones de los láseres
Vida cotidianaVida cotidiana
Medicina Medicina
Investigación científicaInvestigación científica — Investigación básicaInvestigación básica
— EspectroscopíaEspectroscopía
LIDARLIDAR
atómicaatómica
Las aplicaciones de los láseres permean nuestra sociedadLas aplicaciones de los láseres permean nuestra sociedad
Aplicaciones de los láseresAplicaciones de los láseres
Vida cotidianaVida cotidiana
Medicina Medicina
Investigación científicaInvestigación científica — Investigación básicaInvestigación básica
— EspectroscopíaEspectroscopía
— Fusión nuclearFusión nuclear
— Enfriamiento de átomosEnfriamiento de átomos
Condensación deCondensación de
Bose-EinsteinBose-Einstein
Las aplicaciones de los láseres permean nuestra sociedadLas aplicaciones de los láseres permean nuestra sociedad
Aplicaciones de los láseresAplicaciones de los láseres
Vida cotidianaVida cotidiana
Medicina Medicina
Investigación científicaInvestigación científica
IndustriaIndustria— MetrologíaMetrología
Las aplicaciones de los láseres permean nuestra sociedadLas aplicaciones de los láseres permean nuestra sociedad
— Teodolitos Teodolitos
— Teodolitos Teodolitos
— MetrologíaMetrología
Aplicaciones de los láseresAplicaciones de los láseres
Las aplicaciones de los láseres permean nuestra sociedadLas aplicaciones de los láseres permean nuestra sociedad
Vida cotidianaVida cotidiana
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
Recommended