Dr. Ponciano Rodriguez Montero Dr. Carlos G. Treviño Palacios

Presentación del tema: "Dr. Ponciano Rodriguez Montero Dr. Carlos G. Treviño Palacios"— Transcripción de la presentación:

1 Dr. Ponciano Rodriguez Montero Dr. Carlos G. Treviño Palacios
Láseres 2006 Dr. Ponciano Rodriguez Montero Oficina 1216 Dr. Carlos G. Treviño Palacios Oficina 1210

2 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, detección y uso de la luz

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

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

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

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

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

8 Precursores del láser Construcción del primer láser T.H. Maiman
(láser de rubí) Maiman, T.H. Nature. 187, 493, (1960) Dato curioso: La demostración del primer láser fue rechazada por Physical Review Letters Entre 1960 y 1980 se desarrollaron casi todo tipo de láseres y se encontro emisión láser en estrellas, nebulosas y planetas

9 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

10 Ganadores del láser 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 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

11 Absorción y Emisión 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)

12 Absorción y Emisión (a) Absorcion de Energía E = E2 - E1
La Interacción e intercambio de energía entre dos niveles puede ocurrir 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 E E1

13 Absorción y Emisión (a) Absorcion de Energía E = E2 - E1
La Interacción e intercambio de energía entre dos niveles puede ocurrir 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 h E E1

14 Absorción y Emisión (a) Absorcion de Energía E = E2 - E1
La Interacción e intercambio de energía entre dos niveles puede ocurrir 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 h E E1

15 Absorción y Emisión (a) Absorcion de Energía E = E2 - E1
La Interacción e intercambio de energía entre dos niveles puede ocurrir 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 h E E1

16 Absorción y Emisión (a) Absorcion de Energía E = E2 - E1
La Interacción e intercambio de energía entre dos niveles puede ocurrir 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 E E1

17 Elementos básicos de un láser
Medio activo Método de bombeo Cavidad Resonante Extraccion de parte de la luz de la cavidad

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

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

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

21 Fluorecencia La fluorescencia se da por decaimiento espontáneo
- electrón - bombeo - fotón La fluorescencia se da por decaimiento espontáneo

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

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

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 Despues de un tiempo la mayoria de los fotónes estarán rebotando entre las paredes CON EL MISMO PASO

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

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

30 Láser Es decir, tenemos un láser

31 ¿Qué es un Láser? ES UNA FUENTE DE LUZ: MONOCROMÁTICA
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 !!!!!!!!!!! Entendemos por luz la región del espectro visible y sus vecinos cercanos (Infrarrojo y ultravioleta)

32 ¿Qué es un Láser? ES UNA FUENTE DE LUZ: MONOCROMÁTICA COHERENTE
Un ancho de banda finito  implica que diferentes ´s pueden desfasarse El tiempo que dos oscilaciones separadas por  es  = 1/ (tiempo de coherencia) Para un láser con   1 MHz,  = 1 µsec El tiempo de vida “típico” de la fluorescencia de un átomo se mide en nanosegundos (10-9 seg) Para el sol ( 1014 Hz)   seg. La longitud de coherencia (z = c ) para un láser se mide típicamente en metros.

33 Coherencia Haz incoherente Haz coherente: láser

34 ¿Qué es un Láser? 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

35 ¿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

36 Patrón de Radiación Los láseres emiten con una distribución de
intensidad gaussiano. 2 w f o Las carcácteristica de focalización es diferente a la luz blanca, y es compatible con las fibras ópticas.

37 Características del láser
Los láseres trabajan con “luz”: región visible del espectro y vecinos cercanos (UV, IR) Período de la luz (1 µm) : 300 THz  3 femtosegundos Dada ésta característica se pueden tener láseres con diferentes potencias y duraciones: Continuos (CW) nanosegundos Q-switching, Gain Switching Mode lock pico- femto- segundos 1 femtosegundo - es a - 1 segundo 1 segundo - es a - la edad del universo como

38 TIPOS DE LÁSERES

39 Tipos de láseres Podemos clasificar a los láseres de acuerdo
al medio de ganacia Láseres gaseosos Láseres líquidos Láseres de estado solido Otros tipos de láseres

40 Tipos de láseres Láseres gaseosos Moleculares Atómicos Iones
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 CO2 (Dioxido de Carbono) N2 (Nitrógeno) Químicos (HF - DF) Infrarojo lejano Excimeros Iones Ar+ (Argón) Kr+ (Kryptón)

41 Se diferencian por el tipo de transiciones que ocurre
Tipos de láseres Láseres gaseosos Se diferencian por el tipo de transiciones que ocurre Atómicos Longitudes de onda de emisión l1= nm, l2=1.152 nm, l3= nm, l24= nm He-Ne (Helio-Neón) (1961)

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

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

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

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

46 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

47 Estrella en miniatura creada con NOVA
Tipos de láseres Otros 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

48 Tipos de láseres Otros tipos de láseres Láser de rayos X
Láser de electrones libres Láser de altas potencias Láser de silicio !!!! Boyraz O. & Jalali B. Opt. Express, (2004).

49 Tipos de láseres Otros tipos de láseres Láser de rayos X
Láser de electrones libres Láser de altas potencias Láser de silicio !!!! Boyraz O. & Jalali B. Opt. Express, (2005).

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

51 APLICACIONES

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

53 Aplicaciones de los láseres
Las aplicaciones de los láseres permean nuestra sociedad Vida cotidiana Discos compactos Impresoras láser Discos duros ópticos Lectores de códigos de barras Hologramas identificadores Comunicaciones por fibra óptica Espectáculos láser Hologramas HACE TAN SOLO QUINCE AÑOS ESTO ERA RARO

54 Aplicaciones de los láseres
Las aplicaciones de los láseres permean nuestra sociedad Vida cotidiana Medicina Cirugía oftálmica

55 Aplicaciones de los láseres
Las aplicaciones de los láseres permean nuestra sociedad Vida cotidiana Antes Despues del tratamiento Restauración final Medicina Cirugía oftálmica Cirugía General Odontología

56 Aplicaciones de los láseres
Las aplicaciones de los láseres permean nuestra sociedad Vida cotidiana Medicina Cirugía oftálmica Cirugía General Odontología Dermatología

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

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

59 Aplicaciones de los láseres
Las aplicaciones de los láseres permean nuestra sociedad Vida cotidiana Medicina Investigación científica Metrología Industria Teodolitos

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

61 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

62 ¿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 Entonces: ¿Qué podemos hacer??

63 “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