Taller de ciencia para jovenes 2002 Óptica Dr. Carlos G. Treviño Palacios

Aquí en el INAOE se realiza investigación en Astrofísica Optica Electrónica Ciencias Computacionales Yo les voy a hablar un poco de la óptica

¿Qué es la óptica? La óptica es la ciencia de controlar la LUZ La LUZ es parte de un tipo de energía llamada “radiación electromagnética” (EM). La LUZ es la parte de las ondas EM que podemos VER y forma los colores del arcoiris Los científicos e ingenieros usan sus ojos para ver la la LUZ principalmente pero tambien usan otras maneras

¿Qué tan rápida es la luz? La luz viaja a 300,000 km/seg La luz del sol tarda 8 minutos en recorrer los 149 millones de kilometros del sol a la tierra Un avión a 300 km/hr tardaria 56 años ¿Es mucho?

La luz es una onda Las ondas son cambios repetidos en un medio en agua voz Tienen características bien definidas velocidad altura Longitud de onda

La luz es una onda Las luz además tiene de especial que es una ONDA ELECTROMAGNETICA Esto significa que es una combinación de una onda eléctrica y una onda magnética Una ONDA ELECTROMAGNÉTICA viaja a la velocidad de la luz

Espectro electromagnético Las ondas electromagnéticas pueden ser muchas 10 -15 -12 -9 -6 -3 1 3 6 longitud de onda (m) Rayos cósmicos Rayos X Rayos gama Ondas Electricas Largas de Radio Microondas Ultravioleta Lejano Cercano Infrarojo Cercano Medio Lejano Luz Visible Vi A V Am N R

Espectro electromagnético Ondas de radio

Espectro electromagnético Microondas

Espectro electromagnético Infrarojo

Espectro electromagnético La óptica estudia la región visible del espectro

Espectro electromagnético Ultravioleta

Espectro electromagnético Rayos X

Espectro electromagnético Rayos Gama

Controlando la luz Las ondas electromagneticas viajan en línea recta La luz, que es una onda EM también viaja en línea recta Podemos hacer que viaje en forma diferente a la línea recta

Controlando la luz Hay tres formas de controlar la luz 1. Bloqueandola con algo vemos con nuestros ojos se generan sombras Usando una pantalla

Controlando la luz Hay tres formas de controlar la luz Bloqueandola con algo Reflejandola

Esto se conoce como reflexion Controlando la luz Hay tres formas de controlar la luz Bloqueandola con algo Reflejandola usamos un espejo y el ojo piensa que está aqu El conejo está aquí Esto se conoce como reflexion

Esto se conoce como refracción Controlando la luz Hay tres formas de controlar la luz Bloqueandola con algo Reflejandola Doblandola El conejo está aquí y el ojo piensa que está aquí La luz cambia su dirección pasando de un medio transparente a otro de diferente densidad, como aire a agua. Esto se conoce como refracción

Controlando la luz ¿ Para qué ? Bueno, para algunos “usos” importantes y útiles dependiendo de cómo se produzca, controle y detecte la luz de manera especial: Sus ojos Lentes y lentes de contacto Lentes para televisión, películas o fotografía Fotocopiadoras Microscopios y lupas Proyectores Reproductores deCD Sistemas médicos (para ver dentro del cuerpo) ... y muchas más (sin dejar de mencionar que las plantas usan la luz para crecer y hacer oxigeno)

Lentes Las lentes doblan la luz de manera útil Existen 2 tipos básicos de lentes: lentes CONVEXAS o POSITIVAS donde la luz converge en un punto o FOCO lentes CONCAVAS o NEGATIVAS donde la luz diverge (se abre) O podemos tener combinación de lentes

y el ojo piensa que está aquí Lentes : una lupa Lentes ¿ Y cómo se ven las cosas más grandes ? y el ojo piensa que está aquí El conejo está aquí Si una lente convexa se pone cerca de un objeto la lente dobla los rayos hacia adentro Los ojos siguen en línea recta y “parece ver” una imagen agrandada

La lente (cristalino) forma una imagen en la retina Nuestros ojos Vemos usando los ojos que son como pequeñas cámaras Musculo Lente Musculo Lente La lente (cristalino) forma una imagen en la retina Cuando vemos algo lejos la lente se aplana Cuando vemos algo cerca la lente se hace gordita La idea es tener la imagen “en foco”

Lentes para ver mejor ¿ Porqué usamos lentes ? Para ver mejor cuando no podemos estar bien “en foco” Si no ves bien de lejos tu ojo es más largo (miopia negativa) Si no ves bien de cerca tu ojo es más corto (miopia) La imagen se tiene que hacer más pequeña La imagen se tiene que hacer más grande

Instrumentos ópticos Usando combinaciones de lentes podemos hacer muchos aparatos útiles microscopios telescopios cámaras y cualquier otro aparato que use la luz

Luz blanca La luz del sol o de una lámpara está hecha de TODOS los colores del arcoiris Podemos separar los colores usando un PRISMA Prisma de vidrio Luz blanca (del sol) Las gotas de agua son pequeños prismas que hacen el arcoiris en un día lluvioso

En español: Luz Amplificada por Efecto de Radiación Estimulada Luces de la ciencia En la ciencia se usa un tipo muy especial de luz con un solo color El láser fue inventado por Einstein Me refiero a un LASER La palabra LASER es un acrónimo L A S E R ight mplification by timulated mission of adiation En español: Luz Amplificada por Efecto de Radiación Estimulada

Como funciona un láser Medio activo Método de bombeo Cavidad Resonante El láser usa varios elementos para funcionar Medio activo Método de bombeo Cavidad Resonante Extraccion de parte de la luz de la cavidad Una fuente de luz “normal” (el sol o una lámpara) usa las dos primeras igualito.

Láser: Medio Activo Medio Activo: gas, líquido, semiconductor, ...

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

Láser: Método de Bombeo Láser: Fluorecencia - electrón - bombeo - fotón - electrón - bombeo La fluorescencia se da por decaimiento espontáneo

Láser: Fluorecencia La fluorescencia se da por decaimiento espontáneo - electrón - bombeo - fotón La fluorescencia se da por decaimiento espontáneo y también se da emisión estimulada !!!!!

Láser: Ganancia Láser: Fluorecencia Si se logran tener suficientes estados excitados bajo las condiciones adecuadas se tiene Ganancia

Láser: Cavidad Resonante Láser: Ganancia Láser: Cavidad Resonante Pongamos al medio bajo bombeo dentro de una cavidad: dos paredes con características especiales

Láser: Cavidad Resonante los fotónes rebotan en las paredes al mismo ángulo con que entraron y no pierden el paso !!!

Láser: Cavidad Resonante Desagamonos del medio activo y bombeo por un momento

Láser: Cavidad Resonante Después de un tiempo casi todos los fotónes estarán rebotando entre las paredes CON EL MISMO PASO

y dejamos que algunos de los fotónes salgan Láser: Cavidad Resonante Láser: Extracción Parcial Ahora abrimos una puertita en una de las paredes y dejamos que algunos de los fotónes salgan

Láser: Extracción Parcial Estos fotónes salen en un solo rumbo (direccional), el mismo paso (monocromático) y andar (coherencia) Es decir, tenemos un láser Una fuente de luz que funciona por efecto de de amplificación estimulada

tan pequeños como un alfiler tan grandes como un edificio Láseres de todos tamaños Los láseres son lámparas “especiales” Los láseres vienen en todos tamaños tan pequeños como un alfiler tan grandes como un edificio sirve para tener estrellas en miniatura Hay láseres de todos colores dependiendo de que están hechos

¿ Para qué sirve un láser? En casa Discos compactos Lectores de códigos de barras Verificar que la calidad de la comida

¿ Para qué sirve un láser? En el hospital Cirugía oftálmica Odontología Dermatología

¿ Para qué sirve un láser? En la industria para medir dimensiones Metrología Procesamiento de materiales soldar cortar

SUMARIO 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

Óptica Moderna La óptica llega más alla de lo que hemos visto Permitanme hablar un poco más de la complejidad de la óptica Comenzemos con una definición más formal de la Óptica

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

Tecnología Ciencia Conocimiento Conocimiento a lo Largo del Otro Eje Teoría de Control Sistemas Procesamiento de Señales Óptica Comunicaciones Electrónica Ciencia Aplicada Fundamental Aplicado Ciencia Tecnología Conocimiento Altas Energías Física Nuclear Gravitación Óptica Atómica Materia Condensada Ciencia Básica

Propiedades Ópticas de Materiales Conocimiento a lo Largo del Otro Eje Teoría de Control Sistemas Procesamiento de Señales Óptica Comunicaciones Electrónica Fundamental Aplicado Diseño Óptico Materiales Ópticos Dispositivos Láseres Propiedades Ópticas de Materiales Óptica Cuántica Aplicada Óptica Fotónica Fundamental Óptica Altas Energías Física Nuclear Gravitación Óptica Atómica Materia Condensada

Fotónica Fotónica es la ciencia de generación y aprovechamiento de la luz y otras formas de energía radiante cuya unidad cuántica es el fotón. Ésta ciencia incluye la emisión de luz, transmisión, reflexión, amplificación y detección mediante instrumentos y elementos ópticos, láseres y otras fuentes de luz, fibras ópticas, instrumentación electro-óptica y electrónica relacionada. El campo de aplicación de la fotónica se extiende desde la generación de luz a la detección y procesamiento de información.

Optoelectrónica Se refiere a cualquier dispositivo que emita, detecte, modifique o responda a la radiación óptica, o use una señal óptica para su operación. También cualquier elemento que funcione como un convertido eléctrico-a-óptico ú óptico-a-eléctrico. Es un campo de conocimientos que une la óptica y la electrónica, y su definición varia en ambos lados. Un transistor que usa una fuente electroluminicente, una base transparente y colector fotoeléctrico. Ejemplo: transistor optoelectrónico

Optoelectrónica Dadas las características de los fenómenos involucrados, la optoelectrónica es principalmente usada en manejo de señales. Su principal campo de acción son las telecomunicaciones. Más que una definición rigurosa la optoelectrónica es el conjunto de conocimientos y dispositivos que entran en la definición : cualquier dispositivo que emita, detecte, modifique o responda a la radiación óptica, o use una señal óptica para su operación

Optoelectrónica El nivel de conocimientos necesarios para crear, estudiar y controla los dispositivos optoelectronicos va desde la ciencia más básica a la ingeniería más aplicada. Desde el punto de vista conceptual se requiere comprender la física de materiales, estado sólido, interacción radiación- materia, mecánica cuántica y teoría electromagnética. Desde el punto de vista aplicado se requiere ser capaz de integrar a gran escala elementos complejos y tener las herramientas para realizarlas suficientemente rápido, más alla de la electrónica tradicional.

Optoelectrónica Entonces: ¿Qué hace a la optoelectrónica tan atractiva? La capacidad de extender las capacidades de la electrónica más alla de sus límitaciones naturales y el tener la posibilidad de controlar señales ópticas de manera eficiente Al final de lo que se trata es del manejo de información. ¡ Por eso es tán atractiva !

Optoelectrónica Solución: optoelectrónica La luz tiene una longitud de onda de  ~ 1µm ( ~ 300 THz) Potencialmente se podría usar un ancho de banda de 30 THz La electrónica no funciona muy bien controlando anchos de banda más alla de 5 GHz Tren de pulsos de 1Gbit/s 1ns = 30 cm Tren de pulsos de 100Gbit/s Solución: optoelectrónica

Optoelectrónica 1 femtosegundo - es a - 1 segundo como En electrónica la escala de tiempos es de nanosegundos a años En optoelectrónica la escala de tiempos involucrados son los mismos que en electrónica más la escala rapida que va desde femtosegundos a nanosegundos. Para poner esto en perspectiva: 1 femtosegundo - es a - 1 segundo como 1 segundo - es a - la edad del universo

Dispositivos optoelectrónicos Pantallas de cristal líquido (LCD) Moduladores de cristal líquido MEMS Microlentes Fibras ópticas Rejillas de Brag Critales fotónicos Láseres de cavidad vertical (CMOS) Diodos láser Moduladores de luz Superestructuras cuánticas Optica integrada (electrónica epitexial) Materiales cerámicos y vidrios Detectores de infrarojo Divisores de longitud de onda

Fibras Ópticas Las fibras ópticas es tuberia flexible para la luz En 1920’s: Tubos doblados de vidrio fueron usados para iluminación en microscopia En 1980’s: Se encontró la manera de producir fibras ópticas con bajas pérdidas (menores a 0.01 dB/km) En 1995: Se desarrollo el amplificador de fibra óptica dopada con erbio , y ya no se requere regeneración electrónica Estos son los precursores del Internet

Conmutación todo-óptica En el control todo-optico una señal de luz controla el comportamiento de otra señal de luz Para tener este control se necesita usar efectos no lineales Normalmente se logra usando óptica integrada Baja potencia Alta potencia SET RESET A B

Sistemas de Multiplexación La multiplexación significa mezclar señales En señales rapidas (> 10 GHz) el control debe ser todo-óptico N DFB láseres con  específica Modulator Fibra óptica EDFAs MUX LASER # N LASER # 3 LASER # 2 LASER # 1

MEMS Sistemas de microelectromecánica (MicroElectroMechanical Sistems) MEMS son un conjunto de pequeños espejos mecánicos depositados sobre un substrato. Típicamente silicio. Dos arreglos de N espejos mecánicos con un total de 2N elementos pueden interconectar N entradas con N salidas

Y UNA GRAN CANTIDAD DE DISPOSITIVOS OPTOELECTRONICOS que emita, detecte, modifique o responda a la radiación óptica, o use una señal óptica o que funcione como un convertido eléctrico-a-óptico ú óptico-a-eléctrico. ¡ Hay todavia mucho trabajo por hacer !

Entonces ... Sabemos que la luz es una onda electromagnética Sabemos que tenemos fuentes de luz como el sol y los láseres Sabemos que podemos controlar la luz usando lentes, espejos o instrumentos Y sabemos que podemos usar nuestros ojos o cámaras para VER la luz

Nunca nos damos por satisfechos ... y unas palabras finales Los científicos en optica jugamos con luz para saber por que pasan las cosas Somos curiosos y siempre estamos viendo por que pasan las cosas Pero lo más importante: Nunca nos damos por satisfechos

Muchas Gracias !!

“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 Maravillas Lewis Carroll