La lente delConocimiento Láseres Taller de ciencia para profes 2006 para profes 2006.

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1 La lente delConocimiento Láseres Taller de ciencia para profes 2006 para profes 2006

2 Láseres La palabra LASER es un acrónimo ¿ Qué es un láser? ight mplification by timulated mission of adiation LASERLASER LASER En español: Luz Amplificada por Efecto de Radiación Estimulada Es la herramienta que nos permite determinar las características de los materiales

3  Predicción de la emisión estimulada de luz Albert Eintsein (1917) Precursores del láser Precursores del láser 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)

4  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) Precursores del láser Precursores del láser

5 Ganadores del láser Ganadores 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

6  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 láser Ganadores 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

7  Los láseres trabajan con “luz”: región visible del espectro y vecinos cercanos (UV, IR) Características del láser Características 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 universo como  Dada ésta característica se pueden tener láseres con diferentes potencias y duraciones:  Continuos (CW) nanosegundos pico- femto- segundos  Mode lock  Q-switching, Gain Switching

8 La interpretación moderna de la emisión y absorción de luz fué propuesta en 1917 por Einstein 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 antes y después de la fotoemisión es igual a  E = h Para explicar los fenómenos solamente usaremos el modelo del átomo de Bohr (1913) del átomo de Bohr (1913) ¿Cómo se produce la luz láser?

9 Energía Estado Base Estado Excitado  E = h ¿Cómo se produce la luz láser? Absorción de la luz Emisión espontánea/estimulada

10 La Interacción e intercambio de energía entre dos niveles puede ocurrir de una de las siguientes maneras (a) Absorcion de Energía  E = E 2 - E 1 (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. E2E2 E1E1 EE Absorción y emisión

11 (a) Absorcion de Energía  E = E 2 - E 1 (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. E2E2 E1E1 EEh La Interacción e intercambio de energía entre dos niveles puede ocurrir de una de las siguientes maneras Absorción y emisión

12 (a) Absorcion de Energía  E = E 2 - E 1 (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. E2E2 E1E1 EE h La Interacción e intercambio de energía entre dos niveles puede ocurrir de una de las siguientes maneras Absorción y emisión

13 (a) Absorcion de Energía  E = E 2 - E 1 (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. E2E2 E1E1 EE h La Interacción e intercambio de energía entre dos niveles puede ocurrir de una de las siguientes maneras Absorción y emisión

14 (a) Absorcion de Energía  E = E 2 - E 1 (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. E2E2 E1E1 EE La Interacción e intercambio de energía entre dos niveles puede ocurrir de una de las siguientes maneras Absorción y emisión

15 Elementos básicos de un láser 1. Medio activo 2. Método de bombeo 3. Cavidad Resonante 4. Extracción de parte de la luz de la cavidad

16 Cavidad resonante: el secreto del láser Antes de bombeo Emisión espontánea/estimulada Oscilación Amplificación

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18 Medio Activo: gaseoso, estado solido, líquido, semiconductor,... Medio Activo

19 - electrón - bombeo Método de Bombeo: eléctrico, químico, óptico,... Los electrónes ocupan estados excitados Método de Bombeo

20 Fluorescencia - electrón - bombeo - electrón - bombeo - fotón La fluorescencia se da por decaimiento espontáneo

21 - electrón - bombeo - fotón Fluorescencia

22 La fluorescencia se da por decaimiento espontáneo - electrón - bombeo - fotón y también se da emisión estimulada !!!!! Fluorescencia

23 Ganancia Ganancia Si se logra tener suficientes estados excitados bajo las condiciones adecuadas se puede ver Ganacia - electrón - bombeo - fotón

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

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

26 Cavidad Resonante Deshagámonos del medio activo y bombeo por un momento

27 Cavidad Resonante Deshagámonos del medio activo y bombeo por un momento

28 Cavidad Resonante Después de un tiempo la mayoría de los fotónes estarán rebotando entre las paredes CON EL MISMO PASO

29 Extracción Parcial Extracción Parcial Ahora abrimos una pequeña puerta en una de las paredes y dejamos que algunos de los fotónes salgan

30 Extracción Parcial Extracción Parcial Estos fotónes salen en un solo rumbo (direccional), el mismo paso (monocromático) y andar (coherencia) Es decir, tenemos un láser

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32  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 láseres Tipos de láseres

33 Láseres gaseosos Se diferencian por el tipo de transiciones que ocurre Moleculares Atómicos He-Ne (Helio-Neón) He-Cd (Helio-Cadmio) Vapores de metal Vapores de Cobre Vapores de Oro CO 2 (Dioxido de Carbono) N 2 (Nitrógeno) Químicos (HF - DF) Infrarojo lejano Excimeros Iones Ar + (Argón) Kr + (Kryptón) Tipos de láseres Tipos de láseres

34 Atómicos He-Ne (Helio-Neón) (1961) Longitudes de onda de emisión   nm    nm,   nm,   nm Tipos de láseres Tipos de láseres Láseres gaseosos Se diferencian por el tipo de transiciones que ocurre

35 Colorantes bombeados por luz UV Láseres líquidos  Láseres de colorante Existen alrededor de 500 tipos de colorantes comunes Tipos de láseres Tipos de láseres

36 Láseres de estado sólido  Aislantes Ruby Nd:YAG, Nd:Vidrio Centros de color Alejandrina Titanio Zafiro Tipos de láseres Tipos de láseres

37  Aislantes Ruby Nd:YAG, Nd:Vidrio Centros de color Alejandrina Titanio Zafiro  Semiconductores Diodos láser Tipos de láseres Tipos de láseres Láseres de estado sólido

38 Diodos láser Son los mas usados comercialmente: CD y DVD players, computadoras, lectores de barras, apuntadores, … Tipos de láseres Tipos de láseres

39 Los semiconductores cubren el espectro visible y NIR Tipos de láseres Tipos de láseres

40 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 láseres Tipos de láseres

41  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 láseres Tipos de láseres Otros tipos de láseres

42  Láser de rayos X  Láser de electrones libres  Láser de altas potencias Tipos de láseres Tipos de láseres Otros tipos de láseres  Láser de silicio !!!! Boyraz O. & Jalali B. Opt. Express, 12. 5269 - 5273 (2004).

43  Láser de rayos X  Láser de electrones libres  Láser de altas potencias Tipos de láseres Tipos de láseres Otros tipos de láseres  Láser de silicio !!!! Boyraz O. & Jalali B. Opt. Express, 13. 791 - 800 (2005).

44  Láser de rayos X  Láser de electrones libres  Láser de altas potencias Tipos de láseres Tipos de láseres Otros tipos de láseres  Láser de silicio !!!!  Láser de átomos

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46 Aplicaciones Las aplicaciones de los láseres permean nuestra sociedad Vida cotidiana Vida cotidiana — Discos compactos

47 Las aplicaciones de los láseres permean nuestra sociedad Vida cotidiana Vida cotidiana — Discos compactos — Impresoras láser — Discos duros ópticos — Lectores de códigos Aplicaciones

48 Las aplicaciones de los láseres permean nuestra sociedad Vida cotidiana Vida cotidiana — Discos compactos — Impresoras láser — Discos duros ópticos — Lectores de códigos — Hologramas identificadores — Espectáculos láser — Hologramas HACE TAN SOLO QUINCE AÑOS ESTO ERA RARO !! — Comunicaciones Aplicaciones

49 Las aplicaciones de los láseres permean nuestra sociedad Vida cotidiana Vida cotidiana Investigación científica Investigación científica — Investigación básica — Espectroscopía LIDAR atómica Aplicaciones

50 Las aplicaciones de los láseres permean nuestra sociedad Vida cotidiana Vida cotidiana Investigación científica Investigación científica — Investigación básica — Espectroscopía — Fusión nuclear Sistema Nova Aplicaciones

51 Las aplicaciones de los láseres permean nuestra sociedad Vida cotidiana Vida cotidiana Investigación científica Investigación científica — Investigación básica — Espectroscopía — Fusión nuclear — Enfriamiento de átomos Aplicaciones Condensación de Bose-Einstein

52 Las aplicaciones de los láseres permean nuestra sociedad Vida cotidiana Vida cotidiana Investigación científica Investigación científica — Investigación básica — Espectroscopía — Fusión nuclear — Enfriamiento de átomos — Pulsos cortos Aplicaciones

53 Las aplicaciones de los láseres permean nuestra sociedad Vida cotidiana Vida cotidiana Investigación científica Investigación científica Industria Industria — Metrología Aplicaciones

54 — Teodolitos Las aplicaciones de los láseres permean nuestra sociedad Vida cotidiana Vida cotidiana Investigación científica Investigación científica Industria Industria — Metrología — Procesamiento de materiales materiales Aplicaciones

55 — Teodolitos Las aplicaciones de los láseres permean nuestra sociedad Vida cotidiana Vida cotidiana Investigación científica Investigación científica Industria Industria — Metrología — Procesamiento de materiales materiales — Giróscopos Aplicaciones

56 Las aplicaciones de los láseres permean nuestra sociedad Vida cotidiana Vida cotidiana Medicina Medicina Investigación científica Investigación científica Industria Industria Aplicaciones

57 Las aplicaciones de los láseres permean nuestra sociedad Medicina Medicina — Odontología Antes Despues del tratamiento Restauración Restauraciónfinal Aplicaciones

58 Las aplicaciones de los láseres permean nuestra sociedad Medicina Medicina — Odontología — Neurología Decomprensión de discos usando un láser Aplicaciones

59 Las aplicaciones de los láseres permean nuestra sociedad Medicina Medicina — Odontología — Neurología — Oncología Aplicaciones

60 Las aplicaciones de los láseres permean nuestra sociedad Medicina Medicina — Odontología — Neurología — Oncología — Cirugía estética Aplicaciones

61 Las aplicaciones de los láseres permean nuestra sociedad Medicina Medicina — Remoción de tatuajes Aplicaciones

62 — Cirugía estética Las aplicaciones de los láseres permean nuestra sociedad Medicina Medicina — Remoción de tatuajes — Remoción de pelo Aplicaciones

63 — Cirugía estética Las aplicaciones de los láseres permean nuestra sociedad Medicina Medicina — Remoción de tatuajes — Remoción de pelo — Lesiones vasculares Aplicaciones

64 — Cirugía estética Las aplicaciones de los láseres permean nuestra sociedad Medicina Medicina — Remoción de tatuajes — Remoción de pelo — Lesiones vasculares — Cicatrices Aplicaciones

65 — Cirugía estética Las aplicaciones de los láseres permean nuestra sociedad Medicina Medicina — Remoción de tatuajes — Remoción de pelo — Lesiones vasculares — Cicatrices — Levantamientos faciales faciales Aplicaciones

66 — Cirugía estética Las aplicaciones de los láseres permean nuestra sociedad Medicina Medicina — Remoción de tatuajes — Remoción de pelo — Lesiones vasculares — Cicatrices — Levantamientos faciales faciales —... y más Aplicaciones

67 — Cirugía estética Las aplicaciones de los láseres permean nuestra sociedad Medicina Medicina — Microscopia de segundo armónico Imágenes de 20 µm X 20 µm (confocal) 0.5 µm entre imágenes Aplicaciones

68 — Cirugía estética Las aplicaciones de los láseres permean nuestra sociedad Medicina Medicina — Microscopia de segundo armónico — Terapia y acupuntura — Cirugía oftálmica Aplicaciones

69 Las aplicaciones de los láseres permean nuestra sociedad Medicina Medicina Efectos de la ablación laser Térmico No térmico ExcimerCO 2 YAG Aplicaciones

70 Láseres en Medicina Los láseres son fuentes de luz con Los láseres son fuentes de luz con características muy particulares características muy particulares Los usos en la medicina son variados Los usos en la medicina son variados Aún quedan muchos problemas por resolver Aún quedan muchos problemas por resolver

71 ¿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?? Buscar nuevas combinaciones de lo que sabemos hacer bien

72 Conclusiones  Los láseres son fuentes de luz con características particulares. características particulares.  Se puede encontrar emisión láser en casi todo estado de la materia y un gran número todo estado de la materia y un gran número de elementos (a la fecha 78 elementos) de elementos (a la fecha 78 elementos)  Las aplicaciones son tan variadas como las actividades modernas. actividades modernas.  Aún quedan muchos problemas por resolver

73 Combinando ideas para conseguir Combinando ideas para conseguir buenos resultados es fundamental buenos resultados es fundamental ¡Nunca se sabe que se puede encontrar ! Conclusiones Contar con instalaciones adecuadas Contar con instalaciones adecuadas permite realizar investigación de buen permite realizar investigación de buen nivel es importante nivel es importante