LÁSERES: los orígenesL: LIGHTA: AMPLIFICATION byS: STIMULATEDE: EMISSION ofR: RADIATION

Contenido

1. La luz como una onda electromagnética2. Los estudios precursores cuánticos sobre la emisión

de luz3. Las condiciones adicionales para conseguir luz láser4. Las propiedades de la luz láser5. Algunos láseres de materiales activos sólidos,

líquidos, gaseosos y semiconductores6. Regímenes de onda continua y de emisión pulsada7. Algunas aplicaciones8. Protección

Luz blanca y descomposición

1.1.Espectro Electromagnético

1.2. Espectros de algunas fuentes luminosas: continuos y discontinuos

Espectro de nuestro Sol

Lámpara incandescente

Vapor de mercurio

Elemento fluorescente

1.3. Espectros de elementos: más discontinuos los más simples

Hidrógeno

Helio

Mercurio

1.4. Radiación de cuerpo negro, emisiones discontinuas y líneas “puras”

¡El láser es un tipo de EMISIÓN luminosa diferente! : emite líneas espectrales más “puras”

1.5. El láser puede emitir una sola línea espectral muy estrecha

2.1. Radiación de cuerpo negro: efecto cuántico (Planck, 1900)

2.2. Líneas espectrales de elementos: niveles atómi-cos de energía cuantizados (Bohr, 1912)

No depende del material, solo de T

Vemos los niveles de energía en los espectros

2.3. Absorción y emisión: transiciones electrónicas entre niveles y fotones

2.4. Otro proceso que conserva energía: emisión estimulada (Einstein, 1917)

Un proceso es el opuesto del otro. La energía se conserva. Emisión espontánea.

El segundo fotón TIENE que emitirse en sincronía con el original.

3.1. Bombeo e inversión de población.

Población normal: ¡hay que invertirla! (Basov, Prokhorov, Townes, Shawlow, 1950’s)

La emisión estimulada no prevalece sobre la espontánea ¿por qué?

3.2. Resonador: onda estacionaria

3.3. Varios niveles

4.1 Direccionalidad

4.2 Monocromaticidad

4.3 Coherencia

4.4 Modos transversales

4.5. Speckle (Granulado o moteado coherente).

5. Láseres5.1. MASER (Charles H. Townes, Gordon, Zeiger, 1954) micro-ondas (1 cm), 10 nW

5.2. RUBÍ Cr: AlO3 (Theodore H. Maiman, 1960) Pulso mseg, 694.3 nm

5. Láseres5.3. He-Ne (Javan, 1962) continuo, 632.8 nm

5.4. CO2 ( Kumar Patel, 1964) continuo, infrarrojo 10.6 micrones

5. Láseres5.5. Semiconductor (grupo de Alferov del Ioffe Physico-Technical Institute y Mort Panish y Izuo Hayashi en Bell Labs producen el 1er laser semiconductor onda continua a temperatura ambiente, 1970)

5.6. Colorantes (B. Soffer y W. McFarland inventan el laser de colorante sintonizable, 1967. Sorokin) continuo, líneas ajustables nm, pulsos de femtosegundos

5. Láseres5.7. Argón (W. Bridges, 1964) continuo, multilíneas 514.5, 488 nm , Kriptón. N2 UV

5.8. Cristales Nd:YAG (J. E. Geusic, R. G. Smith, 1964) continuo, infrarrojo 1064 nm, doblado en frecuencia 532 nm. Nd:YVO4

5. Láseres

5.10. Free-electron laser (John Madey, 1976, electrones relativistas, sintonizable r.X-micro)

5.9. Excímero o exiplex (Basov, V.A. Danilychev and Yu. M. Popov desarrollaron el láser excimer –excímero- en el Instituto de Física P.N. Lebedev, 1970) Gas inerte (Ar, Kr, Xe) + reactivo (F2: flúor, Cl: cloro) UV (126nm Ar+, 337nm N2, 308nm XeCl) 10-100 mW.

6. Otros regímenes: régimen pulsado6.1. Q-switching. con Fred J. McClung, Hellwarth prueba su teoría laser, generando potencias pico 100 veces superiores a las de láseres de rubí ordinarias usando conmutación eléctrica de obturadores con celda Kerr (1962).

6.2. Amarre de modos, dos láseres son sometidos a la técnica de phase-locked (amarre de modos) en Bell Labs, paso importante para comunicaciones (1965)

6. Otros regímenes: régimen pulsado

6.4. Doble cavidad

6.3. Ablación láser

6. Otros regímenes: Optical Parametric Oscillator (OPO)

7. Aplicaciones7.1. Cortes industriales (metal, plásticos, vidrio)

7.2. Cirugía (ablación)

7. Aplicaciones7.3. Medición de distancias, apuntador

7.4. Reacciones y procesos inducidos

7. Aplicaciones

7.5. Comunicaciones

7.6. Impresiones

7. Aplicaciones7.7. Metrología (Interferometría)

7.8. Holografía, CD, DVD

7. Aplicaciones7.9. Fusión nuclear (confinamiento inercial)

7.10. Scanner

7. Aplicaciones7.11. LIDAR (Light Detection and Ranging)

7.12. Pinzas ópticas

7. Clasificación de seguridadClass 1CLASS 1 LASER PRODUCTA class 1 laser is safe under all conditions of normal use. This means the maximum permissible exposure (MPE) cannot be exceeded. This class includes high-power lasers within an enclosure that prevents exposure to the radiation and that cannot be opened without shutting down the laser. For example, a continuous laser at 600 nm can emit up to 0.39 mW, but for shorter wavelengths, the maximum emission is lower because of the potential of those wavelengths to generate photochemical damage. The maximum emission is also related to the pulse duration in the case of pulsed lasers and the degree of spatial coherence.

Class 1MLASER RADIATIONDO NOT VIEW DIRECTLY WITH OPTICAL INSTRUMENTSCLASS 1M LASER PRODUCTA Class 1M laser is safe for all conditions of use except when passed through magnifying optics such as microscopes and telescopes. Class 1M lasers produce large-diameter beams, or beams that are divergent. The MPE for a Class 1M laser cannot normally be exceeded unless focusing or imaging optics are used to narrow the beam. If the beam is refocused, the hazard of Class 1M lasers may be increased and the product class may be changed. A laser can be classified as Class 1M if the total output power is below class 3B but the power that can pass through the pupil of the eye is within Class 1.

Class 2LASER RADIATIONDO NOT STARE INTO BEAMCLASS 2 LASER PRODUCTA Class 2 laser is safe because the blink reflex will limit the exposure to no more than 0.25 seconds. It only applies to visible-light lasers (400–700 nm). Class-2 lasers are limited to 1 mW continuous wave, or more if the emission time is less than 0.25 seconds or if the light is not spatially coherent. Intentional suppression of the blink reflex could lead to eye injury. Many laser pointers are class 2.

7. Clasificación de seguridadClass 2MLASER RADIATIONDO NOT STARE INTO BEAM OR VIEWDIRECTLY WITH OPTICAL INSTRUMENTSCLASS 2M LASER PRODUCTA Class 2M laser is safe because of the blink reflex if not viewed through optical instruments. As with class 1M, this applies to laser beams with a large diameter or large divergence, for which the amount of light passing through the pupil cannot exceed the limits for class 2.

Class 3RLASER RADIATIONAVOID DIRECT EYE EXPOSURECLASS 3R LASER PRODUCTA Class 3R laser is considered safe if handled carefully, with restricted beam viewing. With a class 3R laser, the MPE can be exceeded, but with a low risk of injury. Visible continuous lasers in Class 3R are limited to 5 mW. For other wavelengths and for pulsed lasers, other limits apply.

Class 3BLASER RADIATIONAVOID EXPOSURE TO BEAMCLASS 3B LASER PRODUCTA Class 3B laser is hazardous if the eye is exposed directly, but diffuse reflections such as from paper or other matte surfaces are not harmful. Continuous lasers in the wavelength range from 315 nm to far infrared are limited to 0.5 W. For pulsed lasers between 400 and 700 nm, the limit is 30 mJ. Other limits apply to other wavelengths and to ultrashort pulsed lasers. Protective eyewear is typically required where direct viewing of a class 3B laser beam may occur. Class-3B lasers must be equipped with a key switch and a safety interlock.

7. Clasificación de seguridadClass 4LASER RADIATIONAVOID EYE OR SKIN EXPOSURE TODIRECT OR SCATTERED RADIATIONCLASS 4 LASER PRODUCTClass 4 lasers include all lasers with beam power greater than class 3B. By definition, a class-4 laser can burn the skin, in addition to potentially devastating and permanent eye damage as a result of direct or diffuse beam viewing. These lasers may ignite combustible materials, and thus may represent a fire risk. Class 4 lasers must be equipped with a key switch and a safety interlock. Most entertainment, industrial, scientific, military, and medical lasers are in this category.

Etiqueta de advertencia para láseres clase 2 y mayores

7. Láseres en el Laboratorio de Interferometría de la Fac. Ciencias Físico-Matemáticas, BUAP

Nd:YVO4 , CW, 2 W Nd:YLF , PIV, 4-10 mJAr + , CW, 2 W

He-Ne , CW, 30 mW

En espera de un OPO adquirido…

Conclusioneso El láser emite por emisión estimuladao La luz láser es monocromática (línea espectral muy fina)o La luz láser es muy ordenada (coherente)o La luz láser es muy direccionalo La emisión concentra la energía en un área pequeñao La luz láser presenta granulación o moteado coherenteo La emisión láser puede ser visible, en micro-ondas, infrarroja, ultravioleta o rayos Xo La emisión puede ser continua, por pulsos o por impulsoso La duración de los pulsos puede ser de milisegundos, microsegundos, nanosegundos, picosegundos o femtosegundoso Las frecuencias de los pulsos pueden ir de Hertz a kiloHertzo La emisión puede ser de micro Watts, mili Watts, Watts, cientos de Watts o de

mayores potenciaso Algunas de sus aplicaciones son: alineaciones, medición de distancias, cortes

(madera, acrílicos, metales), cirugía (retina, córnea, depilación, cálculos), informática (fibras, telefonía, internet, memorias, scanners), impresoras, shows,

imágenes y… muchas otras más…

¡Gracias por su amable atención…!

El Rayo de la Muerte

Goldfinger, 1964

Goldfinger, 1964

Die Another Day, 2002

The Empire Strikes Back,

1980

Goldfinger, 1964

Algunas técnicas: Chirp Pulse Amplification SI multiples for watt (W)

Submultiples Multiples

Value Symbol Name Value Symb

ol Name

10−1 W dW deciw

att 101 W daW decawatt

10−2 W cW centi

watt 102 W hW hectowatt

10−3 W mW milliw

att 103 W kW kilowatt

10−6 W µW micro

watt 106 W MW megawatt

10−9 W nW nano

watt 109 W GW gigawatt

10−12 W pW picow

att1012 W TW teraw

att

10−15 W fW femto

watt1015 W PW petaw

att

10−18 W aW attow

att1018 W EW exawa

tt

10−21 W zW zepto

watt1021 W ZW zettaw

att

10−24 W yW yocto

watt1024 W YW yotta

watt

Common multiples are in bold face

Algunas técnicas: generación de armónicos