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La lente La lente del del
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LáseresLáseres
Taller de cienciaTaller de ciencia para profes 2006para profes 2006
LáseresLáseres
• La palabra LASER es un acrónimo
¿ Qué es un láser?
ightmplification bytimulated mission ofadiation
LASER
LASER
• En español: Luz Amplificada por Efecto de Radiación Estimulada
Es la herramienta que nos permite determinar las características de los materiales
Es la herramienta que nos permite determinar las características de los materiales
Predicción de la emisión estimulada de luz Albert Eintsein
(1917)
Precursores del láserPrecursores del láser
Gordon, J.P.; Zeiger, H.J.; Townes, C.H. Phys. Rev., 95, 282, 1954. 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)
• 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)
Maiman, T.H. Nature. 187, 493, 1960 (1960)
Precursores del láserPrecursores del láser
Ganadores del láserGanadores 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 láserGanadores 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 láserCaracterísticas del láser
Período de la luz (1 µm) : 300 THz 3 femtosegundos
1 femtosegundo - es a - 1 segundo 1 femtosegundo - es a - 1 segundo 1 segundo - es a - la edad del universo1 segundo - es a - la edad del universocomocomo
Dada ésta característica se pueden tener láseres con diferentes potencias y duraciones:
Continuos (CW) Continuos (CW)
nanosegundosnanosegundos
pico- femto- segundospico- femto- segundos Mode lock Mode lock Q-switching, Gain Switching Q-switching, Gain Switching
La interpretación moderna de la emisión y absorción de La interpretación moderna de la emisión y absorción de
luz luz
fué propuesta en 1917 por Einsteinfué propuesta en 1917 por Einstein
La suposición fundamental fue que la diferencia de energía La suposición fundamental fue que la diferencia de energía
antes y después de la fotoemisión es igual a antes y después de la fotoemisión es igual a E = hE = h
Para explicar los fenómenos solamente usaremos el modelo Para explicar los fenómenos solamente usaremos el modelo
del átomo de Bohr (1913)del átomo de Bohr (1913)
¿Cómo se produce la luz láser?¿Cómo se produce la luz láser?
Ene
rgía
Estado Base
Estado Excitado
E = h
¿Cómo se produce la luz láser?¿Cómo se produce la luz láser?
Absorción de la luz Emisión espontánea/estimulada
La Interacción e intercambio de energía entre dos niveles puede La Interacción e intercambio de energía entre dos niveles puede
ocurrir de una de las siguientes manerasocurrir 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
E1
E
Absorción y emisiónAbsorción y emisión
(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
E1
Eh
La Interacción e intercambio de energía entre dos niveles puede La Interacción e intercambio de energía entre dos niveles puede
ocurrir de una de las siguientes manerasocurrir de una de las siguientes maneras
Absorción y emisiónAbsorción y emisión
(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
E1
Eh
La Interacción e intercambio de energía entre dos niveles puede La Interacción e intercambio de energía entre dos niveles puede
ocurrir de una de las siguientes manerasocurrir de una de las siguientes maneras
Absorción y emisiónAbsorción y emisión
(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
E1
Eh
La Interacción e intercambio de energía entre dos niveles puede La Interacción e intercambio de energía entre dos niveles puede
ocurrir de una de las siguientes manerasocurrir de una de las siguientes maneras
Absorción y emisiónAbsorción y emisión
(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
E1
E
La Interacción e intercambio de energía entre dos niveles puede La Interacción e intercambio de energía entre dos niveles puede
ocurrir de una de las siguientes manerasocurrir de una de las siguientes maneras
Absorción y emisiónAbsorción y emisión
Elementos básicos de un láserElementos 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 láserCavidad resonante: el secreto del láser
Antes de bombeo Emisión espontánea/estimulada
Oscilación Amplificación
Medio Activo: gaseoso, estado solido, líquido,
semiconductor, ...
Medio ActivoMedio Activo
- electrón
- bombeo
Método de Bombeo: eléctrico, químico, óptico, ...
Los electrónes ocupan estados excitados
Método de BombeoMétodo de Bombeo
Fluorescencia Fluorescencia
- electrón
- bombeo
- electrón
- bombeo
- fotón
La fluorescencia se da por decaimiento espontáneo
La fluorescencia se da por decaimiento espontáneo
- electrón
- bombeo
- fotón
Fluorescencia Fluorescencia
La fluorescencia se da por decaimiento espontáneo
- electrón
- bombeo
- fotón
y también se da emisión estimulada !!!!!
Fluorescencia Fluorescencia
Ganancia Ganancia
Si se logra tener suficientes estados excitados bajo las condiciones adecuadas se puede ver Ganacia
- electrón
- bombeo
- fotón
Cavidad Resonante Cavidad Resonante
Confinamos a el medio activo bajo bombeo dentro de una cavidad: dos paredes con características especiales
Cavidad Resonante Cavidad Resonante
Los fotónes rebotan en las paredes con el mismo ángulo con que entraron y no pierden el paso !!!
Cavidad Resonante Cavidad Resonante
Deshagámonos del medio activo y bombeo por un momento
Cavidad Resonante Cavidad Resonante
Deshagámonos del medio activo y bombeo por un momento
Cavidad Resonante Cavidad Resonante
Después de un tiempo la mayoría de los fotónes estarán rebotando entre las paredes CON EL MISMO PASO
Extracción ParcialExtracción Parcial
Ahora abrimos una pequeña puerta en una de las paredes y dejamos que algunos de los fotónes salgan
Extracción ParcialExtracción 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 láseresTipos de láseres
Láseres gaseososSe diferencian por el tipo de transiciones que ocurre
MolecularesAtómicosHe-Ne (Helio-Neón)
He-Cd (Helio-Cadmio)
Vapores de metalVapores de CobreVapores de Oro
CO2 (Dioxido de Carbono)
N2 (Nitrógeno)
Químicos (HF - DF)
Infrarojo lejano
Excimeros
IonesAr+ (Argón)
Kr+ (Kryptón)
Tipos de láseresTipos de láseres
AtómicosHe-Ne (Helio-Neón) (1961)
•Longitudes de onda de emisión
nm
nm,
nm,
nm
Tipos de láseresTipos 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 láseresTipos de láseres
Láseres de estado sólido
AislantesRubyNd:YAG, Nd:VidrioCentros de colorAlejandrinaTitanio Zafiro
Tipos de láseresTipos de láseres
AislantesRubyNd:YAG, Nd:VidrioCentros de colorAlejandrinaTitanio Zafiro
Semiconductores
Diodos láser
Tipos de láseresTipos de láseres Láseres de estado sólido
Diodos láser
Son los mas usados comercialmente:CD y DVD players, computadoras, lectores de barras, apuntadores, …
Tipos de láseresTipos de láseres
Los semiconductores cubren el espectro visible y NIRLos semiconductores cubren el espectro visible y NIR
Tipos de láseresTipos 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 láseresTipos 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 láseresTipos de láseres Otros tipos de láseres
Láser de rayos X
Láser de electrones libres
Láser de altas potencias
Tipos de láseresTipos de láseres Otros tipos de láseres
Láser de silicio !!!!
Boyraz O. & Jalali B. Opt. Express, 12. 5269 - 5273 (2004).Boyraz O. & Jalali B. Opt. Express, 12. 5269 - 5273 (2004).
Láser de rayos X
Láser de electrones libres
Láser de altas potencias
Tipos de láseresTipos de láseres Otros tipos de láseres
Láser de silicio !!!!
Boyraz O. & Jalali B. Opt. Express, 13. 791 - 800 (2005).Boyraz O. & Jalali B. Opt. Express, 13. 791 - 800 (2005).
Láser de rayos X
Láser de electrones libres
Láser de altas potencias
Tipos de láseresTipos de láseres Otros tipos de láseres
Láser de silicio !!!!
Láser de átomos
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— Espectáculos láserEspectáculos láser
— HologramasHologramas
HACE TAN SOLO QUINCE AÑOS ESTO ERA RARO !!HACE TAN SOLO QUINCE AÑOS ESTO ERA RARO !!
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0.5 µm entre 0.5 µm entre imágenesimágenes
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Láseres en MedicinaLáseres en Medicina
Los láseres son fuentes de luz con Los láseres son fuentes de luz con características muy particularescaracterísticas muy particulares
Los usos en la medicina son variadosLos usos en la medicina son variados
Aún quedan muchos problemas por resolver Aún quedan muchos problemas por resolver
¿Trabajo a futuro?¿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
ConclusionesConclusiones Los láseres son fuentes de luz con Los láseres son fuentes de luz con características particulares.características particulares.
Se puede encontrar emisión láser en casi Se puede encontrar emisión láser en casi todo estado de la materia y un gran númerotodo 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 Las aplicaciones son tan variadas como las actividades modernas. actividades modernas.
Aún quedan muchos problemas por resolver Aún quedan muchos problemas por resolver
• Combinando ideas para conseguir Combinando ideas para conseguir buenos resultados es fundamentalbuenos resultados es fundamental
¡Nunca se sabe que se puede encontrar !
ConclusionesConclusiones
• Contar con instalaciones adecuadas Contar con instalaciones adecuadas permite realizar investigación de buen permite realizar investigación de buen nivel es importante nivel es importante
• Contar con instalaciones adecuadas Contar con instalaciones adecuadas permite realizar investigación de buen permite realizar investigación de buen nivel es importante nivel es importante