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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






E2

E1

Eh









E2

E1

Eh









E2

E1

Eh









E2

E1

E




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


- electrón

- bombeo

- fotón



- electrón

- bombeo

- fotón

y también se da emisión estimulada !!!!!


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


Los fotónes rebotan en las paredes con el mismo ángulo con que entraron y no pierden el paso !!!


Deshagámonos del medio activo y bombeo por un momento


Deshagámonos del medio activo y bombeo por un momento


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)


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


Láseres de estado sólido

AislantesRubyNd:YAG, Nd:VidrioCentros de colorAlejandrinaTitanio Zafiro


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, …


Los semiconductores cubren el espectro visible y NIRLos semiconductores cubren el espectro visible y NIR


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


Láser de rayos X


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 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





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 átomos

AplicacionesAplicaciones

Las aplicaciones de los láseres permean nuestra sociedadLas aplicaciones de los láseres permean nuestra sociedad

Vida cotidianaVida cotidiana — Discos compactosDiscos compactos


Vida cotidianaVida cotidiana — Discos compactosDiscos compactos— Impresoras láserImpresoras láser

— Discos duros ópticosDiscos duros ópticos

— Lectores de códigosLectores de códigos



Vida cotidianaVida cotidiana — Discos compactosDiscos compactos— Impresoras láserImpresoras láser

— Discos duros ópticosDiscos duros ópticos

— Lectores de códigosLectores de códigos— Hologramas identificadoresHologramas identificadores

— Espectáculos láserEspectáculos láser

— HologramasHologramas

HACE TAN SOLO QUINCE AÑOS ESTO ERA RARO !!HACE TAN SOLO QUINCE AÑOS ESTO ERA RARO !!

— ComunicacionesComunicaciones



Vida cotidianaVida cotidiana

Investigación científicaInvestigación científica— Investigación básicaInvestigación básica

— EspectroscopíaEspectroscopía

LIDARLIDAR

atómicaatómica






— Fusión nuclearFusión nuclear

Sistema NovaSistema Nova







— Enfriamiento de átomosEnfriamiento de átomos


Condensación de

Bose-Einstein






— Enfriamiento de átomosEnfriamiento de átomos

— Pulsos cortos Pulsos cortos




Investigación científicaInvestigación científica

IndustriaIndustria — MetrologíaMetrología


— Teodolitos Teodolitos





— Procesamiento de Procesamiento de

materialesmateriales


— Teodolitos Teodolitos





— Procesamiento de Procesamiento de

materialesmateriales

— GiróscoposGiróscopos




Medicina Medicina


IndustriaIndustria



Medicina Medicina — OdontologíaOdontología

AntesAntes

Despues delDespues del

tratamientotratamiento

RestauraciónRestauración

finalfinal




— NeurologíaNeurología

Decomprensión deDecomprensión dediscos usando un láserdiscos usando un láser





— OncologíaOncología





— OncologíaOncología

— Cirugía estéticaCirugía estética




Medicina Medicina

— Remoción de tatuajesRemoción de tatuajes




Medicina Medicina


— Remoción de peloRemoción de pelo




Medicina Medicina


— Remoción de peloRemoción de pelo— Lesiones vascularesLesiones vasculares




Medicina Medicina



— CicatricesCicatrices




Medicina Medicina




— Levantamientos Levantamientos

facialesfaciales




Medicina Medicina




— Levantamientos Levantamientos

facialesfaciales

— ... y más... y más




Medicina Medicina

— Microscopia de segundo armónicoMicroscopia de segundo armónico

Imágenes deImágenes de20 µm X 20 µm20 µm X 20 µm(confocal)(confocal)

0.5 µm entre 0.5 µm entre imágenesimágenes




Medicina Medicina

— Microscopia de segundo armónicoMicroscopia de segundo armónico

— Terapia y acupunturaTerapia y acupuntura

— CirugíaCirugía oftálmicaoftálmica



Medicina Medicina

Efectos de la ablación laserEfectos de la ablación laserTérmicoTérmico NoNo térmicotérmico

ExcimerExcimerCOCO22YAGYAG


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

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