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Dr. Carlos G. Treviño Palacios
La lente La lente del del
conocimieconocimientonto
La lente La lente del del
conocimieconocimientonto
Taller de cienciaTaller de ciencia para profes 2006para profes 2006
¿Qué es la óptica?
La La óptica es la ciencia de controlar la LUZóptica es la ciencia de controlar la LUZ
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 Los científicos e ingenieros usan sus ojos para ver la la LUZ principalmente
pero tambien usan otras maneras
Una Breve HistoriaUna 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.
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.
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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.
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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
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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.
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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
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.
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Teoría corpuscularIsaac Newton (1642-1727) supuso que la luz
era un flujo de partículas.
Teoría ondulatoriaChristian 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.
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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 HistoriaUna Breve Historia
D
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0
Ecuaciones de MaxwellEcuaciones de Maxwell
Pero al fin y al cabo
¿qué es la óptica?
¿Qué es la óptica?
ÓpticaÓptica 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
Fun
dam
enta
lA
plic
ado
Ciencia Básica
Ciencia Aplicada
CienciaCiencia
TecnologíaTecnología
Conocimiento a lo Largo del Otro Eje
Fun
dam
enta
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Altas Energías
Física Nuclear
Gravitación Óptica Física Atómica
Materia Condensada
Teoría de Control Sistemas
Procesamiento de Señales Óptica Comunicaciones Electrónica
CienciaCiencia
TecnologíaTecnología
Conocimiento a lo Largo del Otro Eje
Diseño Óptico
Materiales Ópticos
Dispositivos
Láseres
Propiedades Ópticas de Materiales
Óptica CuánticaFun
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Teoría de Control Sistemas
Procesamiento de Señales Óptica Comunicaciones Electrónica
Fotó
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Altas Energías
Física Nuclear
Gravitación Óptica Física Atómica
Materia Condensada
Conocimiento a lo Largo del Otro Eje
Ésta ciencia incluye la emisión, transmisión, reflexión, amplificación y detección de la luzÉsta 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 Fotónica es la ciencia de generación y aprovechamiento de la luz y otras formas de aprovechamiento de la luz y otras formas de energía radiante cuya unidad cuántica es el energía radiante cuya unidad cuántica es el fotón fotón
Fotónica
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 Desde el punto de vista de la óptica la optoelectrónica entra dentro la optoelectrónica entra dentro del campo de la fotónicadel campo de la fotónica
Desde el punto de vista de la óptica Desde el punto de vista de la óptica la optoelectrónica entra dentro la optoelectrónica entra dentro del campo de la fotónicadel campo de la fotónica
FotónicaFotónica
Fotónica es la ciencia de generación y Fotónica es la ciencia de generación y aprovechamiento de la luz y otras formas de aprovechamiento de la luz y otras formas de energía radiante cuya unidad cuántica es el energía radiante cuya unidad cuántica es el fotón fotón
La OptoelectrónicaOptoelectrónica se entiende dentro de la óptica
Va más alla de solamente interactuar electrónes con fotónesVa más alla de solamente interactuar electrónes con fotónes; de ser así, una lámpara sería un dispositivo optoelectrónico.
La OptoelectrónicaOptoelectrónica 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 La optoelectrónica es un campo que contiene conocimientos de la conocimientos de la óptica óptica y la y la electrónicaelectrónica, y su , y su definición varia ligeramente desde ambos lados.definición varia ligeramente desde ambos lados.
OptoelectrónicaOptoelectrónica
El nivel de conocimientos necesarios para crear, estudiar El nivel de conocimientos necesarios para crear, estudiar y controla los dispositivos optoelectrónicos va desde la y controla los dispositivos optoelectrónicos va desde la ciencia más básica a la ingeniería más aplicada.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.
OptoelectrónicaOptoelectrónica
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
OptoelectrónicaOptoelectrónica
ÓpticaÓptica es el campo de la ciencia y la ingeniería que es el campo de la ciencia y la ingeniería que comprende los comprende los fenómenos físicos y tecnologías fenómenos físicos y tecnologías asociadasasociadas con la generación, transmisión, con la generación, transmisión, manipulación, detección y uso de lamanipulación, detección y uso de la luzluz
FotónicaFotónica es la ciencia de generación y aprovechamiento es la ciencia de generación y aprovechamiento
de la luz y otras formas de energía radiante cuya de la luz y otras formas de energía radiante cuya unidadunidad
cuántica es el fotón cuántica es el fotón
OptoelectrónicaOptoelectrónica se entiende dentro de la óptica comose entiende dentro de la óptica como cualquier dispositivo que emita, detecte, modifique o cualquier dispositivo que emita, detecte, modifique o responda responda a la radiación óptica, o use una señal a la radiación óptica, o use una señal
óptica para su operaciónóptica para su operación..
OptoelectrónicaOptoelectrónica se entiende dentro de la óptica comose entiende dentro de la óptica como cualquier dispositivo que emita, detecte, modifique o cualquier dispositivo que emita, detecte, modifique o responda responda a la radiación óptica, o use una señal a la radiación óptica, o use una señal
óptica para su operaciónóptica para su operación..
SumarioSumario
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.
BiofotónicaBiofotónica
Comunicaciones Ópticas La historia de las comunicaciones por métodos ópticos es casi tan antigua como la óptica.
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
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
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
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
Espectro electromagnético
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 mm6 kg por km5 dB por km
Diámetro total del cable:Peso:
Pérdidas:
28.4 mm1110 kg por km22.6 dB por km a 100 MHz
Consideremos una fibra de 125 µm encapsulada en plástico
Económicas
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
Coaxial Line
Glass Fiber
0
4
8
12
14
0.1 0.5 1 5 10 50 100 500 1000
ATTE
NU
AT
ION
(dB
)/km
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
Fibras Ópticas
Fibras Ópticas
Fibras Ópticas
Fibras Ópticas
Fibras Ópticas
Fibras Ópticas
Fibras Ópticas
Fibras Ópticas
Fibras Ópticas
Fibras Ópticas
Fibras Ópticas
Fibras Ópticas
Solitones La mejor manera de resolver problemas de dispersión
Dispersión normal
t = 0
Dispersión normal
t > 0
Generando un potencial que depende de la intensidad
La mejor manera de resolver problemas de dispersión
Solitones
Pérdidas
Pérdidas
Pérdidas
Pérdidas
Pérdidas
Pérdidas
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.
Algunos Algunos Fenómenos Fenómenos
VisualesVisuales
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 luzusando lentes, espejos o instrumentos
... y unas palabras finales
Los científicos en óptica jugamos con luzpara 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
“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 MaravillasLewis Carroll
INAOEINAOECoordinación de ÓpticaCoordinación de ÓpticaGrupo de Ciencia e Ingeniería Óptica (CIOe)Grupo de Ciencia e Ingeniería Óptica (CIOe)
Apartado Postal 51 y 216Apartado Postal 51 y 216Puebla Pue 72000Puebla Pue 72000MexicoMexico TEL: 52-(222)-266-31-00 ext 1210TEL: 52-(222)-266-31-00 ext 1210FAX: 52-(222)-247-29-40FAX: 52-(222)-247-29-40URL: URL: http://www-optica.inaoep.mx/investigadores/dr_trevino.htm
[email protected]@inaoep.mx
Dr. Carlos Gerardo Treviño Palacios
