Dr. Carlos G. Treviño Palacios La lente del conocimiento La lente del conocimiento Taller de ciencia para profes 2006 para profes 2006.

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1 Dr. Carlos G. Treviño Palacios La lente del conocimiento La lente del conocimiento Taller de ciencia para profes 2006 para profes 2006

2 ¿Qué es la óptica? X La óptica es la ciencia de controlar la LUZ X 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 X Los científicos e ingenieros usan sus ojos para ver la la LUZ principalmente pero tambien usan otras maneras

3 Una Breve Historia Los orígenes de la óptica se remontan a la antigüedad. En el 1200 a.c. en el Éxodo 38:8 se cuenta como, mientras preparaba el arca y el tabernáculo, Bezabel remoldeaba los cristales donde se veían las mujeres.

4 Los primeros espejos se hicieron de cobre pulido, bronce, y más tarde de especulum, una aleación de cobre rica en estaño. Un espejo en perfectas condiciones fue desenterrado cerca de la pirámide de Sesostris II (1900 a.c.) en el valle del Nilo. Una Breve Historia

5 La primera referencia a las lentes se encuentra en los escritos de Confucio (500 a.c.) quien decía que las lentes mejoraban la visión. La primera mención al fenómeno de la refracción la encontramos en el libro de Platón La república Euclides (300 a.c.) en su libro Catoptrica establecio por primera vez la ley de reflexión y algunas propiedades de los espejos esfericos. Una Breve Historia

6 Durante la Edad media, la óptica, al igual que las demás ciencias, progreso relativamente poco, un poco más de 1000 años de oscuridad. Alhazen (965 – 1038 d.c.) hizo el primer estudio serio acerca de la refracción, probando la ley aproximada de Ptolomeo, y encontro una ley que daba las posiciones relativas de un objeto y su imagen formada por una lente convergente Roger Bacon (1214 – 1294 d.c.) sugirió la forma en que podría hacer un telescopio aunque nunca llego a costruir uno Una Breve Historia

7 El primer microscopio fue construido probablemente por Zacharias Jansen en Holanda en 1608; sin embargo, sus imperfecciones eran tan grandes que solo obtenía una amplificación de 3. Una Breve Historia Casi simultáneamente (1608) pero de manera independientemente, Hans Lippersey, también en Holanda, construyó el primer telescopio. El primer telescopio con calidad razonable fue construido por Galileo Galilei en 1609, el cual tenia una amplificación aproximada de 30

8 En 1672 Sir Isaac Newton publicó un documento en el que describía sus experimentos con el fenómeno de la dispersión cromática de la luz en prismas. Además, probo que se obtiene luz blanca con la superposición de todos los colores. Una Breve Historia

9 Teoría corpuscular Isaac Newton (1642-1727) supuso que la luz era un flujo de partículas. Teoría ondulatoria Christian Huygens (1629-1625) propuso una teoría basado en que la luz es una onda. James Clerk Maxwell (1831-1879) supuso que la luz era una onda electromagnética. Una Breve Historia

10 Thomas Young (1773-1829) introduce el principio de interferencia La evolución del Electromagnetismo se dio con los experimentos de Michael Faraday (1791-1867) Todas las ideas fueron reunidas por J.C. Maxwell y siguen siendo usadas hoy día. Una Breve Historia

11 Ecuaciones de Maxwell

12 Pero al fin y al cabo ¿qué es la óptica?

13 ¿Qué es la óptica? Óptica Óptica 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

14 Fundamental Aplicado Ciencia Básica Ciencia Aplicada Conocimiento a lo Largo del Otro Eje

15 Fundamental Aplicado 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

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

17 Ésta ciencia incluye la emisión, transmisión, reflexión, amplificación y detección de la luz Ésta ciencia incluye la emisión, transmisión, reflexión, amplificación y detección de la luz mediante instrumentos y elementos ópticos, láseres y otras fuentes de luz Ésta ciencia incluye la emisión, transmisión, reflexión, amplificación y detección de la luz mediante instrumentos y elementos ópticos, láseres y otras fuentes de luz, fibras ópticas, instrumentación electro-óptica y electrónica relacionada. Fotónica es la ciencia de generación y aprovechamiento de la luz y otras formas de energía radiante cuya unidad cuántica es el fotón Fotónica

18 El campo de aplicación de la fotónica se extiende desde la generación a la detección de luz y el procesamiento de información. Desde el punto de vista de la óptica la optoelectrónica entra dentro del campo de la fotónica Desde el punto de vista de la óptica la optoelectrónica entra dentro del campo de la fotónica Fotónica Fotónica es la ciencia de generación y aprovechamiento de la luz y otras formas de energía radiante cuya unidad cuántica es el fotón

19 Optoelectrónica La Optoelectrónica se entiende dentro de la óptica Va más alla de solamente interactuar electrónes con fotónes Va más alla de solamente interactuar electrónes con fotónes; de ser así, una lámpara sería un dispositivo optoelectrónico. Optoelectrónica La Optoelectrónica se entiende dentro de la óptica como cualquier dispositivo que emita, detecte, modifique o responda a la radiación óptica, o use una señal óptica para su operación. La optoelectrónica es un campo que contiene conocimientos de la óptica y la electrónica, y su definición varia ligeramente desde ambos lados. Optoelectrónica

20 El nivel de conocimientos necesarios para crear, estudiar y controla los dispositivos optoelectrónicos va desde la ciencia más básica a la ingeniería más aplicada. Desde el punto de vista fundamental 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

21 Por otro lado la luz tiene una longitud de onda de alrededor de 1µm (portadora λ ~ 300 THz) Potencialmente se tiene un ancho de banda de 30 THz !!! Dada su definición, la optoelectrónica es muy usada en manejo de señales. Su principal campo de acción son las comunicaciones La electrónica tradicional se complica conmutando señales con anchos de banda más alla de 5 GHz Optoelectrónica

22 Óptica 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 Óptica 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 Fotónica es la ciencia de generación y aprovechamiento de la luz y otras formas de energía radiante cuya unidad de la luz y otras formas de energía radiante cuya unidad cuántica es el fotón cuántica es el fotón Optoelectrónica se entiende dentro de la óptica como cualquier dispositivo que emita, detecte, modifique o responda a la radiación óptica, o use una señal óptica para su operación. Sumario

23 Es un término reconocido recientemente en el ámbito mundial para describir el uso de láseres y óptica en biología y medicina, así como el uso de materiales biológicos en aplicaciones optoelectrónicas. Es otra manera de llamar a las aplicaciones de la óptica en ingeniería biomédica y biotecnología, y la retroalimentación de éstos para concebir desarrollos tecnológicos basados en sistemas que se encuentran en la naturaleza, por ejemplo generar dispositivos y modelos aplicados en comunicaciones. Biofotónica

24 Comunicaciones Ópticas La historia de las comunicaciones por métodos ópticos es casi tan antigua como la óptica.

25 En los tiempos modernos, el “telégrafo óptico” de Claude Chappe en los 1790´s es el primer medio de telecomunicación óptica. a mediados del siglo XIX fue sustituido por el telégrafo eléctrico En 1880 Graham Bell inventa el Fotófono - Un teléfono donde la comunicación se realiza por medios ópticos En 1950´s Las comunicaciones en guías de onda milimétricas toma auge tras la Segunda Guerra Mundial Comunicaciones Ópticas

26 En 1956 Curtiss hace la primera fibra óptica con recubierta En1970 Bell labs demuestra la primera transmisión a través de fibra óptica en una exhibición de física en Londres En 1975 se instaló el primer sistema de fibra para comunicación en Dorset Inglaterra. En 1960 Theodore Maiman inventa el primer láser En 1971 Corning demuestra la primera fibra con bajas pérdidas Comunicaciones Ópticas

27 En 1993 Se desarrolla MOSAIC en el CERN, Suiza En 1999 se desarrolla WDM..... En 1995: Se desarrollo el amplificador de fibra óptica dopada con erbio, y ya no se requiere regeneración electrónica Comunicaciones Ópticas

28 Estos son los precursores del Internet 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 requiere regeneración electrónica

29 Espectro electromagnético

30 Bajo costo por metro por canal de telefonía que el cable coaxial Ventajas de las fibras ópticas Comparada con cable coaxial nominal (RG-19U) Diámetro total del cable: Peso: Pérdidas: 2.5 mm 6 kg por km 5 dB por km Diámetro total del cable: Peso: Pérdidas: 28.4 mm 1110 kg por km 22.6 dB por km a 100 MHz Consideremos una fibra de 125 µm encapsulada en plástico Económicas

31 Menor costo de instalación, operación y mantenimiento que el cable coaxial Menor costo de instalación, operación y mantenimiento - Aislantes - no existe acoplamiento inductivo (RF,IEM) - No se puede acoplar luz desde desde los lados - No emite radiación secundaria (seguridad/privacidad) Ventajas de las fibras ópticas

32 Coaxial Line Glass Fiber 0 4 8 12 14 0.10.51510501005001000 A T T E N U A T I O N ( d B ) / k m FREQUENCY (MHz / Mbps) Atenuación efectiva de 1-km de cable coaxial y una fibra óptica. El ancho de banda de 3 dB de la fibra óptica es de 500MHz. Desventajas de las fibras ópticas Los conectors son caros y causan de 1 a 2 dB de pérdidas Cada unión genera pérdidas mayores a 0.1 dB La alineación en los empalmes es crítica

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34 Fibras Ópticas

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46 Solitones La mejor manera de resolver problemas de dispersión Dispersión normal t = 0

47 Dispersión normal t > 0 Generando un potencial que depende de la intensidad La mejor manera de resolver problemas de dispersión Solitones

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49 Pérdidas

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55 Las fibras ópticas son elementos fundamentales en las telecomunicaciones hoy día. No es la única técnica posible, pero si la más prometedora. Falta explotar el ancho de banda de la fibras a su máxima capacidad, usando las ideas de la fotónica Las fibras ópticas hicieron posible ésta revolución en la ciencia y la tecnología actual (Internet) Fibras ópticas para comunicaciones Los conceptos básicos están muy bien entendidos.

56 Algunos Fenómenos Visuales

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

66 ... y unas palabras finales Los científicos en óptica 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

67 “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

68 INAOE Coordinación de Óptica Grupo de Ciencia e Ingeniería Óptica (CIOe) Apartado Postal 51 y 216 Puebla Pue 72000 Mexico TEL: 52-(222)-266-31-00 ext 1210 FAX: 52-(222)-247-29-40 URL: Apartado Postal 51 y 216 Puebla Pue 72000 Mexico TEL: 52-(222)-266-31-00 ext 1210 FAX: 52-(222)-247-29-40 URL: http://www-optica.inaoep.mx/investigadores/dr_trevino.htmcarlost@inaoep.mx Dr. Carlos Gerardo Treviño Palacios