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

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

 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,  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)

 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

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

 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

 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

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?

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

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

(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

(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

(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

(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

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

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

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

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

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

- electrón - bombeo - fotón Fluorescencia

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

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

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

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

Cavidad Resonante Deshagámonos del medio activo y bombeo por un momento

Cavidad Resonante Deshagámonos del medio activo y bombeo por un momento

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

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

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

 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

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

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

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

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

 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

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

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

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

 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

 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, (2004).

 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, (2005).

 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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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

¿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

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

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